CN104215848A - 一种温度试验中电缆测量误差的时域动态修正方法 - Google Patents

Abstract

一种温度试验中电缆测量误差的时域动态修正方法，实验室在对射频微波产品进行测试时，均需要使用射频电缆连接被测产品和仪器。为了确保产品测试的准确性，使用电缆前必须单独对电缆进行测试，获得其特性参数，并将电缆引入的误差在测试系统中进行修正。但是当被测产品进入温箱进行高低温循环试验时，射频电缆特性参数已随高低温发生变化，而且电缆在温箱中也已连接被测件和仪器，无法对其单独进行校准，造成产品测试的准确度降低。本方法解决了射频测试电缆在温度循环过程中无法进行测试的问题，通过本方法能够获得射频电缆在高低温箱中的实时特性参数，使用获得的电缆参数对试验测试结果进行修正，能够实现在温度循环试验中的产品精确测试。

Description

一种温度试验中电缆测量误差的时域动态修正方法

技术领域

本发明涉及一种温度试验中电缆测量误差的时域动态修正方法，实现了卫星有效载荷部和组件产品在温度循环试验中精确测试，修正了因测试连接电缆带来的误差影响，适用于各类卫星有效载荷部，组件产品温度循环中的精确测试。

背景技术

卫星有效载荷部，组件产品通常需要进行温度循环试验，目的是监测卫星有效载荷部，组件产品在温度交变环境下的工作是否正常，技术指标是否满足总体要求，从而确保卫星在轨的性能正常。微波类有效载荷部，组件产品在进行温度循环试验时，往往都需要使用高频测试电缆，进行温箱内产品和温箱外测试仪器的连接。

在温度循环试验中，我们需要获得的试验结果是产品性能参数变化随温箱温度变化的对应关系，但是由于缺少有效监测手段，目前尚不能将被测件参数变化和测试连接电缆参数变化区分。温度循环试验数据往往是被测件和测试电缆随高低温度变化的复合参数变化数据，不能实现温度循环情况下对卫星有效载荷部，组件产品自身性能的精确测量。

为了解决该问题，修正测试连接电缆的误差影响，国内普遍采用的方法分别如下：

(1)参考电缆法：即采用同批次，同长度的高频测试电缆，除连接产品电缆外，选取2根电缆放置在高低温箱内并保持箱内直通连接，作为参考电缆并测试其性能参数。

当被测件和参考电缆一起进行高低温试验时，将参考电缆温度变化数据作为被测件使用电缆的补偿数据。这种方法简单易行，但无法证明参考电缆和实际使用电缆的参数变化一致，修正后产品自身测试结果无法保证真实可靠。

(2)全波导测试：由于波导受温度高低变化影响小，其误差可忽略不计，采用波导连接产品和仪器，常温下校准的波导测试系统可以在高低温下使用。产品测试结果较准确，缺点是波导系统为硬连接，需要多个微波开关进行切换，测试系统成本花费大。

(3)特制电缆技术：基于电缆性能随温度变化的原理，假如电缆周围环境的温度不变化，则其性能也将无变化。特制电缆通过技术手段，使其表面为真空或恒温状态，则其性能参数在试验中也将固定。采用该类电缆的产品在试验中测试结果准确。但是采用该类方法的电缆仍在研究中。

国外采用的测试电缆误差修正技术最为准确的是COM DEV公司推出的e-trak^TM在线校准修正模块(该技术近年来被安捷伦公司购买，更名为Calpod)。

该模块工作原理为：在线校准修正模块连接在产品测试面和电缆连接面的中间。以被测产品端面为参考面，将从测试仪器到在线校准修正模块的实测校准数据传递给矢量网络分析仪，矢量网络分析仪根据修正数据可以在不需要断开和停止测试的情况下对测试电缆的误差进行校准修正。

利用该模块进行测试实验，当测试电缆插入损耗发生变化后，使用在线校准修正单元设备仍能够保证测试结果的准确度，而没有使用该设备得到的测试结果准确度被大大降低(曲线发生位移和波形的改变)。本方法的优点是真正的实时补偿校准，缺点是校准件的温度数据的准确性问题，自动校准件自身的校准周期到期时的校准方法复杂并且校准耗时极长，而且电子开关和校准件给出的温度下限往往不够高，如-40℃甚至-25℃。另外，本方法成本很高。每个测试通道的都需要2个在线校准修正单元。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种温度试验中电缆测量误差的时域动态修正方法，能够实时监测测试电缆在不同温度下的幅度相位变化信息，并根据监测结果修正电缆误差。实现了产品在温度循环试验中的精确测试。

本发明的技术解决方案是：一种温度试验中电缆测量误差的时域动态修正方法，步骤如下：

(1)连接被测产品前对温度试验中使用的矢量网络分析仪进行校准，消除矢量网络分析仪内部的误差；

(2)步骤(1)中的校准完成后，使两根测试电缆均处于开路状态，与被测产品不连接，在矢量网络分析仪中选取两个测试通道，分别为测试通道1和测试通道2，测试通道1为产品频域正常测试通道，根据被测产品的规定测试功率、频率、带宽、测试点数和中频带宽设置测试通道1的测试参数；

测试通道2为误差纠正通道，将测试通道2设置为时域工作状态；

(3)计算测试通道2的时域工作参数，并利用计算的参数获得两根测试电缆中电信号的反射幅度曲线，选取两根测试电缆中发射幅度曲线中电信号的反射幅度最大值所对应的位置点分别为两根测试电缆与被测件连接位置点；所述时域工作参数包括带宽、采样点数和间隔；

(4)设置时间门，将电缆与被测件的连接处作为监测对象，选取时间门函数，将测试通道2设置为频域工作状态，并将两根测试电缆与被测产品连接，在步骤(3)中得到的两根测试电缆与被测件连接位置点处，利用测试通道2实时测试两根测试电缆的损耗和相位变化信息，实现对测试电缆的监测，获取测试电缆误差修正数据；

(5)将两根测试电缆和被测产品放入温箱中，在不同温度状态下，利用步骤(2)中选取和参数设置完成的测试通道1实时测试两根测试电缆和被测产品进行测试的损耗和相位变化信息，并减去步骤(4)中获得的测试电缆误差修正数据，最终得到产品的真实的损耗和相位变化信息。

所述步骤(3)中计算测试通道2的时域工作参数，具体为：

带宽SPAN由公式：

$\mathrm{SPAN}=\frac{c_0}{L_{\min }}$

给出，式中，c₀为光速3×10⁸m/s，L_min为时间分辨率，本发明中L_min<0.05m，带宽SPAN单位为Hz；

点数N由公式：

$N>\frac{\mathrm{SPAN}\&CenterDot;L}{c_0}$

给出，式中，L为测试电缆长度。

所述步骤(4)中的时间门函数为切比雪夫函数。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明创新的把误差校准位置定位到测试电缆与被测件的连接处，通过实时监测每根测试电缆的幅度和相位变化量，作为环境试验中产品测试结果的修正补偿数据，实现了对试验中被测产品的精确测试，具有极其重要的意义；

(2)本发明采用时域分析方法，通过发明提供的公式计算得出设置时域的频率带宽和测试点数等参数。设置好后能够对环境试验中使用的每根测试电缆实时监测，获取其性能参数变化，所测即所用，测试结果真实准确；

(3)本发明仅需要具有时域功能的矢量网络分析仪，不需要其他测试附件，通过比较相同测量精度的其他方案，试验成本不增加。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为测试仪器与被测件之间的电缆连接关系示意图；

图3为开启双通道测试的矢网界面，其中(a)为产品正常频域通道校准后状态；(b)为产品时域通道状态；

图4为加时间门示意图，其中(a)为产品正常频域通道校准后状态，(b)为产品时域通道加入时间门，目的是定位测试电缆和产品连接处。

图5为时间门的设置，其中(a)为高斯时间门；(b)为切比雪夫时间门；

图6为不加时间门的测试通道结果；

图7为加时间门的测试通道结果；

图8为被测件在测试结果；其中(a)为频域测试结果。(b)为时域实时监测后获得的实时补偿数据。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明中的具体实施方式进行详细的阐述。

如图2所示为测试仪器与被测件之间的电缆连接关系示意图，由图2可知，进行温度测试时，被测设备(被测电缆)放在温箱内部，通过上行测试电缆和下行测试电缆与被测设备相连接。

如图1所示为本发明的发明流程图，由图1可知，本发明提供的一种温度试验中电缆测量误差的时域动态修正方法，步骤如下：

(1)连接被测产品前对温度试验中使用的矢量网络分析仪进行校准，消除矢量网络分析仪内部的误差；

(2)步骤(1)中的校准完成后，使两根测试电缆均处于开路状态，与被测产品不连接，在矢量网络分析仪中选取两个测试通道，分别为测试通道1和测试通道2，测试通道1为产品频域正常测试通道，根据被测产品的规定测试功率、频率、带宽、测试点数和中频带宽设置测试通道1的测试参数；

测试通道2为误差纠正通道，将测试通道2设置为时域工作状态；

(3)计算测试通道2的时域工作参数，并利用计算的参数获得两根测试电缆中电信号的反射幅度曲线，选取两根测试电缆中发射幅度曲线中电信号的反射幅度最大值所对应的位置点分别为两根测试电缆与被测件连接位置点；所述时域工作参数包括带宽、采样点数和间隔；

具体为：

带宽SPAN由公式：

$\mathrm{SPAN}=\frac{c_0}{L_{\min }}$

给出，式中，c₀为光速3×10⁸m/s，L_min为时间分辨率，本发明中L_min<0.05m，带宽SPAN单位为Hz；

点数N由公式：

$N>\frac{\mathrm{SPAN}\&CenterDot;L}{c_0}$

给出，式中，L为测试电缆长度；

(4)通过设置时间门，只选取电缆与被测件的连接处作为监测对象，打开函数应用，除电缆与产品的连接处外的时域信号都已进行抑制。选取时间门函数，再将测试通道2设置为频域工作状态，并将两根测试电缆与被测产品链接，在步骤(3)中得到的两根测试电缆与被测件连接位置点处，利用测试通道2实时测试两根测试电缆的损耗和相位变化信息，实现对测试电缆的监测，获取测试电缆误差修正数据；

(5)将两根测试电缆和被测产品放入温箱中，在不同温度状态下，利用步骤(2)中选取和参数设置完成的测试通道1实时测试两根测试电缆和被测产品进行测试的损耗和相位变化信息，并减去步骤(4)中获得的测试电缆误差修正数据，最终得到产品的真实的损耗和相位变化信息。

本案例演示了一个带通滤波器在高低温试验箱内性能参数随温度的修正实现方法。

(1)带通滤波器的中心频率和测试带宽为6.5GHz±10MHz。完成矢网校准后，消除矢量网络分析仪内部在6.5GHz±10MHz处的误差；

(2)测试电缆均处于开路状态，与被测产品不连接，设置矢网测试界面分成两个测试通道，通道1为产品正常测试通道，按产品规定设置测试功率0dBm，频率和测试带宽为6.5GHz±10MHz，测试点数801，中频带宽1kHz。

通道2为误差纠正通道，将测试通道2设置为时域工作状态，根据测试电缆L约为2m，长度(距离)分辨率3cm计算，

带宽SPAN：

$\mathrm{SPAN}=\frac{3\&times;{10}^8}{0.03}=1\&times;{10}^{10}\mathrm{Hz}$

点数N:

$N>\frac{1\&times;{10}^{10}\&times;2}{3\&times;{10}^8}=66$

那么时域应设置为中心频率6.5GHz，测试带宽SPAN：10GHz，

点数N＞66，本例中为101。

(3)利用计算的参数获得两根测试电缆中电信号的反射幅度曲线，选取两根测试电缆中发射幅度曲线中电信号的反射幅度最大值所对应的位置点分别为两根测试电缆与被测件连接位置点；所述时域工作参数包括带宽、采样点数和间隔，如图3所示为开启双通道测试的矢网界面，其中图3(a)为产品正常频域通道校准后状态，图3(b)为产品时域通道状态；图中2条曲线的最大突起分别代表输入测试电缆和输出测试电缆与被测件的连接处。

分别设置输入、输出测试电缆时间门，卡取测试电缆和被测件的连接处。如图4所示为加时间门示意图，其中(a)为产品正常频域通道校准后状态，(b)为产品时域通道加入时间门，目的是定位测试电缆和产品连接处。

设置时间门函数的原则是时间门边缘应最陡峭，一般选择切比雪夫函数，边缘抑制尽可能高于60dB，图5所示为时间门的设置，其中(a)为高斯时间门；(b)为切比雪夫时间门；

时间门函数设置完成后，打开函数应用，图6为加时间门前效果，图7为加时间门后效果，可以直观看到加门函数后，除电缆与产品的连接处外信号都已进行抑制。连接处外信号从-60抑制到-160，

完成设置后，通道2由时域切回频域测试。通过设置点读取测试电缆在连接处的反射特性，因为信号从电缆的一端到另一端连接处经过一次反射，所以测试结果除以2即为该电缆的实时插损误差。

第一通道Ch1作为测试通道，常温下校准后开始测试，如图8(a)，监测通道Ch2:记录初始温度下的输入电缆和输出电缆幅度和延时，作为参考值，如图8(b)；在温度变化过程中，监测输入电缆和输出电缆幅度和延时的变化值，分别代表对应箱内输入输出测试电缆的幅度和相位随温度的变化，作为实时补偿数据。

使用上述补偿数据对带通滤波器测试结果进行修正，最终获得其真实的性能参数和温度特性。

表1所示为高低温箱分别控制在常温(23℃)、45℃和-5℃温度稳定后读取被测件及电缆插入损耗测量值和输入输出电缆监测值。

表1

上表中被测件传输特性S21DUT是该带通滤波器的带内中心插损测试值，测试值中包括产品和电缆随温度的复合变化。通过观察3个不同温度点下的变化，可以发现，-5℃的中心插损-6.372dB最大，而+45℃的中心插损-6.694dB最小。产品在不同温度下变化为0.322dB。

输入电缆S11和输出电缆S22是测试电缆的插损实时监测值，S11为输入电缆随温度的实际插损变化，S22为输出电缆随温度的实际插损变化。由于存在连接端口的一次反射，该监测结果应除以2。计算常温下输入电缆插损为5.1796/2＝2.5898dB，输出电缆插损为5.1796/2＝2.5464dB，那么，扣除输入输出电缆的产品自身插入损耗是：-6.554-(-2.5898+-2.5464)＝-1.0128。同理分别计算45℃和-5℃的产品修正后结果。

可以看出，当扣除测试电缆引入的误差影响后，产品随温度的实际变化不超过0.03dB。该方法表明产品高低温下性能稳定，不同温度的测试数据发生变化主要来源于电缆自身的变化。该方法提升了产品在试验中的测试精度。

同样都是研究产品如何在温度循环过程中精确测试的目的，本发明与现有方法相比，解决问题的思路不同，现有方法依靠控制电缆自身特性，或者在频域上实现测量修正，本方法则灵活利用了时域分析的原理，尝试定位电缆和产品的连接点着手，实现了对测试电缆的实时监测，并可根据电缆实测数据对产品试验中因测试电缆带来的误差进行修正。优点是首先产品测试精确度高，试验中不考虑电缆性能参数，可以全部实时进行监测，其次是不增加其他测试附件，花费少。既能完成环境试验下的高精度测试，又不增加试验成本，具有非常好的经济效益。本发明可应用于射频微波类产品(如滤波器，多工器，耦合器，功分器等)在做温度循环试验中对测试电缆误差的扣除，对实现试验中产品高精度测试具有极其重要的意义。

时域分析和频域分析是以不同的角度对相同信号进行分析的手段。频域分析的是频率上的特性，反映信号如电缆上信号的整体反射特性。而时域分析的是时间上的特性，反映信号如电缆上信号各个位置的反射特性。矢网的时域应用较少，建议应尽早占领其应有领域。而后其产生的经济效益虽是间接但也是可观的。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种温度试验中电缆测量误差的时域动态修正方法，其特征在于步骤如下：

(1)连接被测产品前对温度试验中使用的矢量网络分析仪进行校准，消除矢量网络分析仪内部的误差；

(2)步骤(1)中的校准完成后，使两根测试电缆均处于开路状态，与被测产品不连接，在矢量网络分析仪中选取两个测试通道，分别为测试通道1和测试通道2，测试通道1为产品频域正常测试通道，根据被测产品的规定测试功率、频率、带宽、测试点数和中频带宽设置测试通道1的测试参数；

测试通道2为误差纠正通道，将测试通道2设置为时域工作状态；

(3)计算测试通道2的时域工作参数，并利用计算的参数获得两根测试电缆中电信号的反射幅度曲线，选取两根测试电缆中发射幅度曲线中电信号的反射幅度最大值所对应的位置点分别为两根测试电缆与被测件连接位置点；所述时域工作参数包括带宽、采样点数和间隔；

(4)设置时间门，将电缆与被测件的连接处作为监测对象，选取时间门函数，将测试通道2设置为频域工作状态，并将两根测试电缆与被测产品连接，在步骤(3)中得到的两根测试电缆与被测件连接位置点处，利用测试通道2实时测试两根测试电缆的损耗和相位变化信息，实现对测试电缆的监测，获取测试电缆误差修正数据；

(5)将两根测试电缆和被测产品放入温箱中，在不同温度状态下，利用步骤(2)中选取和参数设置完成的测试通道1实时测试两根测试电缆和被测产品进行测试的损耗和相位变化信息，并减去步骤(4)中获得的测试电缆误差修正数据，最终得到产品的真实的损耗和相位变化信息。

2.根据权利要求1所述的一种温度试验中电缆测量误差的时域动态修正方法，其特征在于：所述步骤(3)中计算测试通道2的时域工作参数，具体为：

带宽SPAN由公式：

$\mathrm{SPAN}=\frac{c_0}{L_{\min }}$

给出，式中，c₀为光速3×10⁸m/s，L_min为时间分辨率，本发明中L_min<0.05m，带宽SPAN单位为Hz；

点数N由公式：

$N>\frac{\mathrm{SPAN}\&CenterDot;L}{c_0}$

给出，式中，L为测试电缆长度。

3.根据权利要求1所述的一种温度试验中电缆测量误差的时域动态修正方法，其特征在于：所述步骤(4)中的时间门函数为切比雪夫函数。