矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試系統(tǒng)的設(shè)計及維護(hù)

　　1 概述

　　在微波探測系統(tǒng)中，通常天線都是系統(tǒng)自動控制環(huán)路的閉環(huán)點。天線作為一個收/發(fā)控制系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣，將直接影響到全系統(tǒng)的檢測能力和探測精度。

本文只探討網(wǎng)絡(luò)分析儀在天線S參數(shù)測試方面的應(yīng)用情況。

　　2 天線S參數(shù)測試系統(tǒng)的設(shè)計

　　網(wǎng)絡(luò)分析儀是用來刻劃有源和無源器件各種特性的，這些器件可以是單端口的，也可以是雙端口或多端口的。網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測量每個端口的輸入特性及一個端口到另一個端口的傳輸特性。

　　網(wǎng)絡(luò)分析儀，不管是標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀還是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測量電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)時都依賴二極管檢波技術(shù)(寬帶)或超外差接收技術(shù)(窄帶)。窄帶檢測適合于相位測量和評估頻率抑制器件如濾波器等。寬帶檢測更適合于測量頻率轉(zhuǎn)換器件如調(diào)諧器等的特性，特別是那些具有內(nèi)部本振的器件。

　　相對于二極管檢波，利用調(diào)諧接收機(jī)可以提供測量時的高接收靈敏度和寬動態(tài)范圍，同時具有較好的諧波和寄生信號的抑制功能。但帶寬只有幾KHz的數(shù)量級。

　　本文應(yīng)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀兩種設(shè)備，分別設(shè)計了兩種天線S參數(shù)的測試系統(tǒng)。

　　2.1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試系統(tǒng)的設(shè)計

　　矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是功能最強(qiáng)大的一種網(wǎng)絡(luò)分析儀，可以測量的頻率范圍為：5Hz-110GHz。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測量電網(wǎng)絡(luò)完整的幅值特性和相位特性，包括：S-參數(shù)的幅值和相位、駐波比(SWR)、插入損耗、衰減、群延遲、回波損耗、反射系數(shù)和增益壓縮。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀一般由合成掃頻信號源、兩個測試端口(含信號分離部件)、多通道、相位相干、高接收靈敏度的調(diào)諧接收機(jī)組成。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種高集成度的測量儀器，所需的外部配置較少，主要是各種校準(zhǔn)器，包括開路器、短路器、匹配負(fù)載、轉(zhuǎn)接電纜以及連接被測件所需的轉(zhuǎn)換裝置。

　　安立公司生產(chǎn)的37300系列微波一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀將合成掃頻信號源、鎖相接收機(jī)和S參數(shù)測試裝置有機(jī)地結(jié)合在一臺儀器中，具有兩個測試端口、四個接收通道。不僅可以快速、精確地測量被測件S參數(shù)的幅度、相位和群延遲特性，還可測量微波器件的絕對輸出功率。

　　2.1.1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的組成

　　該測試系統(tǒng)由一臺37347D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及其相關(guān)的校準(zhǔn)組件構(gòu)成。主要包括：

　　a) 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 37347D

　　b) 校準(zhǔn)箱 3650

　　開路器

　　短路器

　　3.5mm同軸校準(zhǔn)件

　　2cm波導(dǎo)校準(zhǔn)件

　　c) 時域功能 3700/A

　　d)下擴(kuò)頻 SM6164

　　e) 穩(wěn)相電纜： 3671a50-1

　　f) 各種轉(zhuǎn)換器

　　g) 測試中必須的非標(biāo)零件

　　過渡波導(dǎo)

　　波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器

　　專用波導(dǎo)負(fù)載Ⅰ

　　專用波導(dǎo)負(fù)載Ⅱ

　　專用波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換Ⅰ

　　專用波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換Ⅱ

　　h) 產(chǎn)品支架

　　i) 吸波材料及支架

　　j) 打印機(jī)。

　　2.1.2 測試系統(tǒng)組成見圖1

　　測試系統(tǒng)中包含了部分非標(biāo)器件作為測量輔助設(shè)備，其作用是完成各非標(biāo)準(zhǔn)接口被測件非標(biāo)準(zhǔn)接口到標(biāo)準(zhǔn)接口的轉(zhuǎn)換，從而滿足與標(biāo)準(zhǔn)測試接口的連接。此外，還必須配置各種夾具及固定件等。為滿足天線的開場測試要求，必須配置吸波材料板和支架。

　　圖1 矢網(wǎng)系統(tǒng)的原理框圖

　　2.2 標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試系統(tǒng)設(shè)計

　　標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種性能價格比很高的網(wǎng)絡(luò)分析儀，通常用于生產(chǎn)線上檢測被測件的外部特性。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀只能測量S參數(shù)的幅值，相應(yīng)的參數(shù)包括：傳輸增益(傳輸損耗)、回波損耗、駐波比(SWR)等。不同于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀沒有集成信號分離部件，所以標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀需要外配信號分離部件，如：功率分配器、方向耦合器、方向電橋。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀也沒有類似矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的超外差調(diào)諧接收機(jī)，而是利用外部的二極管檢波方式。所以標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀需要外配檢波器。完整的測量系統(tǒng)還應(yīng)包括校準(zhǔn)件、連接電纜、衰減器、轉(zhuǎn)接器和連接被測件的各種轉(zhuǎn)換裝置。

　　安立公司生產(chǎn)的54147A標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀由內(nèi)部掃頻合成源、兩個標(biāo)準(zhǔn)測量通道A和B、一個參考通道R組成(用于比值測量)?？梢詼y量被測件的傳輸增益(傳輸損耗)、回波損耗、駐波比(SWR)、群延遲、輸出功率等。

　　2.2.1 標(biāo)網(wǎng)分系統(tǒng)的組成

　　a) 合成掃頻信號源 MG3692A;

　　b) 標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀 54147A;

　　c) 微波精密檢波器 560-7S50B;

　　d) 同軸功率分配器 K240B;

　　e) 波導(dǎo)高方向性定向耦合器 HD-180WC3/20;

　　f) 波導(dǎo)型環(huán)行器 HD-180CIC1/2;

　　g) SWR自動測試器 560-98SF50-1 ;

　　h) 源電纜 NS120MF-6;

　　j) 電纜組件 85022At;

　　k) 3dB衰減器 41KB-3;

　　m) 各種校準(zhǔn)器

　　同軸短路/開路器 HD-180OSSJJ，

　　同軸負(fù)載 HD-CL1.15SJ 、HD-CL1.05SJ，

　　同軸精密負(fù)載 28SF50，

　　波導(dǎo)短路器 HD-180WS，

　　波導(dǎo)匹配負(fù)載 HD-180WL1.03 ;

　　n) 各種轉(zhuǎn)換器

　　同軸轉(zhuǎn)換器 K220B 、HD-3.5S50KJ、 HD-3.5S50KK 、HD-3.5S50JJ，

　　波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器 HD-180WESMAK/J、HD-180WSMAK/J;

　　p) 升降平臺式波導(dǎo)支架;

　　q) 吸波材料及支架;

　　r) 繪圖儀 DJ-500。

　　2.2.2 標(biāo)網(wǎng)分系統(tǒng)的組成框圖源

　　高方向性定向耦合器 高方向性定向耦合器

　　圖2 天線電特性參數(shù)測量系統(tǒng)框圖

　　2.2.3 實際配置圖見圖3

　　圖3 標(biāo)網(wǎng)測S參數(shù)的實際配置

　　3 測試系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

　　3.1矢網(wǎng)分系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

　　a) 頻率范圍：50MHz～20GHz;

　　b) 動態(tài)范圍：105dB;

　　c) 頻率分辨率：1Hz;

　　d) 幅度分辨率：0.001dB/div;

　　e) 幅度準(zhǔn)確率：0.1dB;

　　f) 相位分辨率：0.01o/div;

　　g) 相位準(zhǔn)確度：0.5o。

　　3.2 標(biāo)網(wǎng)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

　　a) 頻率范圍：10MHz～20GHz;

　　b) 動態(tài)范圍：71dBm (+16dBm～-55dBm);

　　c) 幅值測量誤差：±0.11dB;

　　d) 檢波器輸入(2個標(biāo)準(zhǔn)輸入，1個參考通道R);

　　e) 顯示通道 (可以自選最多可達(dá)2通道彩色顯示);

　　f) 測量點數(shù) 可以選值為101、201、401點;

　　g) 繪圖儀/打印機(jī)緩沖器;

　　h) 自適性歸一化處理。

　　3.3 被測產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)

　　a) 各通道輸出端的電壓駐波系數(shù);

　　b) 波導(dǎo)管的電參數(shù)：

　　1) 電壓駐波系數(shù)

　　2) 插入損耗

　　d) 通道損耗

　　e) 通道之間收發(fā)隔離度

　　說明：在該測試分系統(tǒng)中，為了順利、合理的完成天線各項指標(biāo)的測試，必須要配有滿足產(chǎn)品調(diào)試及足夠生產(chǎn)使用的各種非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，主要有波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器、波導(dǎo)負(fù)載、卡子等。波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器用于天線和測試系統(tǒng)的連接。在調(diào)試過程中，天線相關(guān)輸出波導(dǎo)口都需要有負(fù)載連接。另外，為滿足天線的開場測試，應(yīng)在天線的前方約±400立體角范圍，距離天線1～2米處張貼吸波材料，在600范圍的材料的反射不大于-40dB，而且必須滿足防火要求。

　　4 測試系統(tǒng)的維護(hù)與校準(zhǔn)

　　4.1 測試系統(tǒng)的可維護(hù)性

　　本系統(tǒng)采用分立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同軸部件采用SMA接頭方式連接，波導(dǎo)部件采用波導(dǎo)夾連接，各支架及支撐座采用可調(diào)節(jié)式，操作簡單方便，便于安裝和拆卸。

　　4.2 測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)

　　為保證測試的準(zhǔn)確，在測試時，應(yīng)對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)。本系統(tǒng)配置了滿足校準(zhǔn)要求的各種校準(zhǔn)部件，供測試時使用。此外，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析儀使用要求，應(yīng)定期到專門機(jī)構(gòu)進(jìn)行儀器校準(zhǔn)。時間為每年一次。

　　5.結(jié)論

　　以上兩個測試系統(tǒng)已經(jīng)用于對實際產(chǎn)品的測試，標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成的測試系統(tǒng)三年前投入使用，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成的測試系統(tǒng)去年投入使用。這兩種測試系統(tǒng)共計測試過5種天線、30種電纜及相關(guān)微波配件的電特性及S參數(shù)，共計3000余件產(chǎn)品。通過對大量產(chǎn)品的測試表明，這兩種測試系統(tǒng)工作穩(wěn)定、操作方便完全能滿足產(chǎn)品測試的實際要求。