CN109782208A - 矢量网络分析仪自动化校准装置及校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及矢量网络分析仪自动化校准装置及校准方法，装置包括校准件、标准器和加载LabVIEW自动测试软件的计算机；校准件与待校准矢量网络分析仪连接，由矢量网络分析仪自动进行系统误差修正；标准器与矢量网络分析仪连接，矢量网络分析仪与计算机连接；测试软件包括仪器控制单元、数据采集单元、校准结果判断单元和证书报告生成单元；仪器控制单元用于识别待校准矢量网络分析仪；数据采集单元用于采集待校准矢量网络分析仪的测量结果；校准结果判断单元用于判断测量结果与标准值的差值是否在允差范围，从而得到校准结果。本发明提高了工作效率，降低了人为误差，保证量值传递的准确性，为大批量测试任务提供有力保障。
Description
技术领域
本发明涉及无线电电子学领域，具体涉及一种矢量网络分析仪自动化校准装置及校准方法。
背景技术
矢量网络分析仪在微波电路设计、天线测量、微波器件测试等方面扮演着极为重要的角色，具备很广泛的工程应用领域。矢量网络分析仪作为微波领域中最复杂的测量仪器，可用于测量有源或无源、双口和单口网络的复散射参数，同时能对测量结果进行误差修正，并换算出其它网络参数，能够对微波网络参数进行全面精确的测量。鉴于矢量网络分析仪的重要性，如何对矢量网络分析仪进行快速、准确的校准，是一个非常值得研究的问题。
依照《GJB/J 3608-99自动网络分析仪检定规程》，校准一台两端口矢量网络分析仪需要用到3个失配器、2个衰减器，一个空气线等标准器组，涉及(S11、S22)端口驻波/反射系数、(S21、S12)衰减、相位等传输参数；对于一个四端口网络分析仪，还涉及(S33、S44、S43、S34)等参数，这时的校准工作量将翻倍。现有技术中，矢量网络分析仪校准采用人工手动计量的方式，即人工测量、手动记录数据、人工制作证书报告，人工手动计量方法不仅效率低下，而且大量录入测量数据的过程中极易出现低级错误，从而大大降低证书报告的质量。工程发现，每年都有大批量的民用和军用的矢量网络分析仪需要送检进行计量，一份计量证书中具有500个以上的数据量，测试任务极其复杂和庞大。现有的人工手动计量方式不仅效率低、容易出错，而且很难满足任务紧、数量大的测试需求及生产线上的现场校准需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种矢量网络分析仪自动化校准装置及校准方法，节约劳动成本，提高工作质量。
为了达到上述的目的，本发明提供一种矢量网络分析仪自动化校准装置，包括校准件、标准器和加载LabVIEW自动测试软件的计算机；进行系统误差修正时，所述校准件与待校准矢量网络分析仪连接，由矢量网络分析仪自动进行系统误差修正；进行矢量网络分析仪校准时，所述标准器与待校准矢量网络分析仪连接，待校准矢量网络分析仪与所述加载LabVIEW自动测试软件的计算机连接；所述LabVIEW自动测试软件包括仪器控制单元、数据采集单元、校准结果判断单元和证书报告生成单元；仪器控制单元用于识别待校准矢量网络分析仪，并向待校准矢量网络分析仪发送命令以及接收响应和数据；数据采集单元用于采集待校准矢量网络分析仪的测量结果；校准结果判断单元用于判断测量结果与标准值的差值是否在允差范围，从而得到校准结果；证书报告生成单元用于生成计量证书报告。
上述矢量网络分析仪自动化校准装置，其中，所述校准件包含一套N型同轴机械校准件、一套3.5mm同轴机械校准件和一套2.4mm机械校准件，每套机械校准件均包含OPEN、SHORT、LOAD三个Male端口类型校准件和OPEN、SHORT、LOAD三个female端口类型校准件。
上述矢量网络分析仪自动化校准装置，其中，标准器包括反射系数分别为1.2/1.5/2.0的失配器，衰减量分别为20dB/40dB/50dB的同轴衰减器，以及标准空气线。
本发明提供的另一技术方案是一种矢量网络分析仪自动化校准方法，包括如下步骤：
1)连接待校准矢量网络分析仪和校准件，由待校准矢量网络分析仪自动进行系统误差修正；
2)自动化校准待校准矢量网络分析仪；
2-1)将标准器与待校准矢量网络分析仪连接，待校准矢量网络分析仪与加载LabVIEW自动测试软件的计算机连接；
2-2)通过LabVIEW自动测试软件界面选择测量频率、测量端口和测量项目；
2-3)LabVIEW自动测试软件的仪器控制单元根据选择产生测量指令，并发送给待校准矢量网络分析仪，启动待校准矢量网络分析仪对标准器进行测量；
2-4)LabVIEW自动测试软件的数据采集单元采集待校准矢量网络分析仪获得的测量结果并发送给LabVIEW自动测试软件的校准结果判断单元；
2-5)校准结果判断单元将测量结果与标准值进行比较，若测量结果与标准值的差值在允差范围内，判断该测量项目符合指标，进入步骤2-6)；若测量结果与标准值的差值超出允差范围，则判断该测量项目不符合指标，并发出警报或提示，收到警报或提示后，重新连接标准器和待校准矢量网络分析仪，返回步骤2-3)；
2-6)存储测量信息，判断是否完成所有测量项目，若是，进入步骤2-7)，若否，返回步骤2-2)；
2-7)LabVIEW自动测试软件的证书报告生成单元根据测量信息生成证书报告。
上述矢量网络分析仪自动化校准方法，其中，每个测量项目加入测量延时时间。
上述矢量网络分析仪自动化校准方法，其中，仪器控制单元采用VISA库和AgilentI/O Libraries Suite库；将各型号矢量网络分析仪连通性标准集成到仪器控制单元中，由仪器控制单元对待校准矢量网络分析仪进行识别。
上述矢量网络分析仪自动化校准方法，其中，所述步骤2-3)中，测量信息包括待校准矢量网络分析仪信息、测量频率、测量端口、测量项目和测量结果。
上述矢量网络分析仪自动化校准方法，其中，所述证书报告自动生成单元采用ActiveX技术解决证书报告和原始记录生成问题。
上述矢量网络分析仪自动化校准方法，其中，所述证书报告自动生成单元包含待校准矢量网络分析仪的基本信息填写区、证书及原始记录模板路径选键、证书及原始记录保存路径选键、证书名称显示、原始记录名称输入；所述证书报告自动生成单元能实现证书及原始记录的一键生成，并保存到指定的硬盘目录下，方便调看。
上述矢量网络分析仪自动化校准方法，其中，所述步骤2-7)中，对证书报告的封面信息通过插入书签的方式将送检单位、仪器型号、编号插入到证书报告中；待校准矢量网络分析仪信息、校准日期以及格式设置通过子Vi填写到有固定格式的证书报告模板里；对采集到的测量结果，通过设置局部变量，将测量结果由ActiveX格式数据报告处理程序实现测量结果的输出，并保存到已有的证书报告模板中，并运用相关的函数库完成对数据格式的设置。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
本发明的矢量网络分析仪自动化校准装置及校准方法，以加载LabVIEW自动测试软件的计算机为控制核心，通过GPIB总线将网络分析仪与计算机互连，通过可编程仪器标准命令实现了网络分析仪校准的自动控制，可采用多种校准方式，将程控技术和计算机技术运用到实际工作中，既可以减少重复性劳动，提高工作效率，又能降低人为误差，保证量值传递的准确性，为大批量测试任务提供有力保障；另外，本发明的矢量网络分析仪自动化校准装置及校准方法，在开发时充分考虑其可扩充性，不仅能运用到E5061A、E5070B、E5062A等ENA系列，E8362B、N5230A、N5245A等PNA系列的网络分析仪，也能运用于ZVA系列、ZVB系列、ZVT系列、ZNB系列、ZNC系列网络分析仪的自动化校准中，自动测量对象的扩展非常容易，提高了本系统的开发效益。
附图说明
本发明的矢量网络分析仪自动化校准装置及校准方法由以下的实施例及附图给出。
图1是矢量网络分析仪自动化系统误差修正示意图。
图2是矢量网络分析仪自动化校准流程图。
图3是矢量网络分析仪自动化校准示意图。
具体实施方式
以下将结合图1～图3对本发明的矢量网络分析仪自动化校准装置及校准方法作进一步的详细描述。
本发明提供的矢量网络分析仪自动化校准装置及自动化校准方法适用于ENA型、PNA型和ZVA系列矢量网络分析仪。
本发明的矢量网络分析仪自动化校准装置包括校准件、标准器和加载LabVIEW自动测试软件的计算机，所述LabVIEW自动测试软件包括仪器控制单元、数据采集单元、校准结果判断单元和证书报告生成单元。
以两端口矢量网络分析仪为例，对本发明的矢量网络分析仪自动化校准方法进行详细说明。
本实施例的矢量网络分析仪自动化校准方法包括如下步骤：
1)矢量网络分析仪自动化系统误差修正
矢量网络分析仪在使用之前需要进行系统误差的修正，系统误差包括方向性、源匹配、负载匹配、隔离、频率响应传输跟踪和反射跟踪误差，每种误差又包括正向和反向两种，共12项系统误差。
所述校准件包含一套N型同轴机械校准件、一套3.5mm同轴机械校准件和一套2.4mm机械校准件，每套机械校准件均包含OPEN、SHORT、LOAD三个Male端口类型校准件和OPEN、SHORT、LOAD三个female端口类型校准件。
校准件的电特性已知并保存在矢量网络分析仪内部，矢量网络分析仪对校准件进行测量；将测量结果与校准件的电特性进行比较，获得误差因子，该误差因子保存在矢量网络分析仪内部；利用误差因子修正矢量网络分析仪系统误差，修正数学模型为：
其中，ED，ED’分别为正向方向性误差和反向方向性误差；EX，EX’分别为正向隔离误差和反向隔离误差；ERT，ERT’分别为正向反射频率响应跟踪误差和反向反射频率响应跟踪误差；ETT，ETT’分别为正向传输频响跟踪误差和反向传输频响跟踪误差；ES，ES’分别为正向源匹配误差和反向源匹配误差；EL，EL’分别为正向负载匹配误差和反向负载匹配误差，S11M，S12M，S21M，S22M为误差修正前相应参数的实测值，S11，S12，S21，S22为误差修正后的结果。
矢量网络分析仪系统误差修正包括全二端口校准(SOLT)、响应校准(Response)和单口校准(OSL)。全二端口校准校准精度最高，可对矢量网络分析仪的12项误差进行修正，正向校准时需要测量6次，反向校准时也需要测量6次，通过测量已知电特性的校准件(短路，开路，负载，直通)，就可以得到包含12个误差因子的12个方程，由于校准件的电特性是已知的，因此可以计算得到12个误差因子的具体值。响应校准只修正系统频响误差(传输跟踪误差和反射跟踪误差)；单口校准用于反射测量，修正方向性、源失配和反射跟踪3项系统误差。
矢量网络分析仪系统误差修正数学模型保存在矢量网络分析仪内部，连接矢量网络分析仪和校准件，即可由矢量网络分析仪自动进行系统误差修正，如图1所示。
2)矢量网络分析仪自动化校准
两端口矢量网络分析仪包括一台扫频源和两台接收机，其中一台为参考接收机，另一台为测量接收机。
标准器包括反射系数分别为1.2/1.5/2.0的失配器，衰减量分别为20dB/40dB/50dB的同轴衰减器，以及标准空气线。校准项目不同，使用的标准器不同，例如，失配器用于校准S11及S22的驻波/反射系数；衰减器用于校准S21、S12的幅度；标准空气线用于校准S21、S12的相位。
本发明的矢量网络分析仪自动化校准方法基于NI公司推出的LabVIEW-虚拟仪器开发平台，所述仪器控制单元采用VISA(Virtual Instruments Software Architecture，虚拟仪器软件体系结构)库和Agilent I/O Libraries Suite库，每一种库都可用于编程控制仪器，向其发送命令以及接收响应和数据。将仪器(各型号矢量网络分析仪)连通性标准集成到所述仪器控制单元中，由所述仪器控制单元对矢量网络分析仪进行识别，解决矢量网络分析仪和连通性硬件来自不同厂家，从而造成硬件驱动不兼容的问题。
图2所示为本实施例中矢量网络分析仪自动化校准的流程图。参见图2，本实施例的矢量网络分析仪自动化校准过程为：
2-1)将标准器与矢量网络分析仪连接，矢量网络分析仪与计算机通过GPIB总线连接，如图3所示；
2-2)通过LabVIEW自动测试软件界面选择测量频率、测量端口和测量项目；
2-3)仪器控制单元根据选择产生测量指令，并发送给矢量网络分析仪，启动矢量网络分析仪对标准器进行测量；
2-4)数据采集单元采集矢量网络分析仪获得的测量结果并发送给校准结果判断单元；
2-5)校准结果判断单元将测量结果与标准值进行比较，若测量结果与标准值的差值在允差范围内，判断该测量项目符合指标，进入步骤2-6)；若测量结果与标准值的差值超出允差范围，则判断该测量项目不符合指标，并发出警报或提示，收到警报或提示后，重新连接标准器和矢量网络分析仪，返回步骤2-3)，即再次启动矢量网络分析仪对标准器进行测量；
在一些情况下，测量结果超出允差范围是因为线路连接不到位，因此收到警报或提示后，重新连接标准器和矢量网络分析仪，重新校准；
2-6)存储测量信息，判断是否完成所有测量项目，若是，进入步骤2-7)，若否，返回步骤2-2)；
测量信息包括仪器(即矢量网络分析仪)信息、测量频率、测量端口、测量项目和测量结果；
2-7)证书报告生成单元根据测量信息生成证书报告。
标准值是对所选标准器的量值进行准确度标定，该标定值为标准值。本实施例选用的标准器均符合国家最高计量标准，将标准器接入待校准的矢量网络分析仪，可测得一组测量值，用测量值减去标准值即为该矢量网络分析仪的测量结果的误差。
为减少噪声对测量结果的的影响，在校准时要把矢量网络分析仪的接收机的分辨率带宽设置的尽量小，但是另一方面，接收机的分辨率带宽决定了信号的扫描速度，如果不加处理，一次性完成S11、S12、S21、S22四个参数的测量，就会出现计算机已经读取完数据但是仪器还没有扫描完的状况，导致测量结果不准确。本实施例在进行每个测量项目时通过LabVIEW自动测试软件控制加入合适的测量延时时间，保证矢量网络分析仪在分辨率带宽满足测量精度的情况下，能顺利的读取数据，保证测量结果的可靠性。
所述证书报告自动生成单元采用ActiveX技术解决证书报告和原始记录生成问题。所述证书报告自动生成单元包括报表生成工具包和数据处理模块；报表生成工具包用于调用微软Word和Excel的ActiveX控件；数据处理模块由算法程序和数据报告处理程序组成，算法程序用于数据处理、计算部分测量结果，数据报告处理程序是一种用于MicrosoftOffice模板进行数据证书报告的程序。所述证书报告自动生成单元主要包含了待校准矢量网络分析仪的基本信息填写区、证书及原始记录模板路径选键、证书及原始记录保存路径选键、证书名称显示、原始记录名称输入等。所述证书报告自动生成单元可以实现证书及原始记录的一键生成，并保存到指定的硬盘目录下，方便计量人员调看。
对证书报告的封面信息通过插入书签的方式将送检单位、仪器型号、编号等信息插入到证书报告中，仪器以及校准的日期等信息以及格式设置要通过专门的子Vi填写到有固定格式的证书报告模板里。对于采集到的数据，通过设置局部变量，将测量得到的数据由ActiveX格式数据报告处理程序实现测量结果的输出，并保存到已有的证书报告模板中，并运用相关的函数库完成对数据格式的设置，包括测量结果有效位数的选取，对齐方式等。本实施例建立了多种网络分析仪证书报告模板和频率读取模版，以方便自动化测试。
由于不同型号的矢量网络分析仪的硬件组成不同、频率范围不同，对应的失配器、标准衰减器及空气线的标准值不同，因此LabVIEW自动测试软件对应每种型号矢量网络分析仪的底层驱动不同，并且设置了频率范围可以选择，最高的频率范围为40GHz。
以ENA型系列的E5071C矢量网络分析仪为待校准矢量网络分析仪，将自动化校准方法得到的测量数据与手动测量数据进行比对，如表1所示，标准器为反射系数为1.20的失配器，其中xi(i＝1,2,...3)为重复性测试时每次的数据。
表1 E5071C矢量网络分析仪端口失配(1.20)自动测试与手动测试对比
由表1可知，两者是很吻合的，失配的测量结果(测量不确定度)。
网络分析仪传输损耗(20dB衰减量)的自动测量数据与手动测量数据对比如表2所示。
表2 E5071C矢量网络分析仪传输损耗(20dB)自动测试与手动测试对比
由表2可知，两者是很吻合的，传输损耗的测量结果(测量不确定度)。
但自动化校准方法使一台四端口矢量网络分析仪的校准和出具证书报告的时间由原来的3小时缩短为20分钟，大大提高了工作效率、降低了证书报告的差错率，解放了劳动力。
Claims (10)
1.矢量网络分析仪自动化校准装置，其特征在于，包括校准件、标准器和加载LabVIEW自动测试软件的计算机；进行系统误差修正时，所述校准件与待校准矢量网络分析仪连接，由待校准矢量网络分析仪自动进行系统误差修正；进行矢量网络分析仪校准时，所述标准器与待校准矢量网络分析仪连接，待校准矢量网络分析仪与所述加载LabVIEW自动测试软件的计算机连接；所述LabVIEW自动测试软件包括仪器控制单元、数据采集单元、校准结果判断单元和证书报告生成单元；仪器控制单元用于识别待校准矢量网络分析仪，并向待校准矢量网络分析仪发送命令以及接收响应和数据；数据采集单元用于采集待校准矢量网络分析仪的测量结果；校准结果判断单元用于判断测量结果与标准值的差值是否在允差范围，从而得到校准结果；证书报告生成单元用于生成计量证书报告。
2.如权利要求1所述的矢量网络分析仪自动化校准装置，其特征在于，所述校准件包含一套N型同轴机械校准件、一套3.5mm同轴机械校准件和一套2.4mm机械校准件，每套机械校准件均包含OPEN、SHORT、LOAD三个Male端口类型校准件和OPEN、SHORT、LOAD三个female端口类型校准件。
3.如权利要求1所述的矢量网络分析仪自动化校准装置，其特征在于，标准器包括反射系数分别为1.2/1.5/2.0的失配器，衰减量分别为20dB/40dB/50dB的同轴衰减器，以及标准空气线。
4.矢量网络分析仪自动化校准方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)连接待校准矢量网络分析仪和校准件，由待校准矢量网络分析仪自动进行系统误差修正；
2)自动化校准待校准矢量网络分析仪；
2-1)将标准器与待校准矢量网络分析仪连接，待校准矢量网络分析仪与加载LabVIEW自动测试软件的计算机连接；
2-2)通过LabVIEW自动测试软件界面选择测量频率、测量端口和测量项目；
2-3)LabVIEW自动测试软件的仪器控制单元根据选择产生测量指令，并发送给待校准矢量网络分析仪，启动待校准矢量网络分析仪对标准器进行测量；
2-4)LabVIEW自动测试软件的数据采集单元采集待校准矢量网络分析仪获得的测量结果并发送给LabVIEW自动测试软件的校准结果判断单元；
2-5)校准结果判断单元将测量结果与标准值进行比较，若测量结果与标准值的差值在允差范围内，判断该测量项目符合指标，进入步骤2-6)；若测量结果与标准值的差值超出允差范围，则判断该测量项目不符合指标，并发出警报或提示，收到警报或提示后，重新连接标准器和待校准矢量网络分析仪，返回步骤2-3)；
2-6)存储测量信息，判断是否完成所有测量项目，若是，进入步骤2-7)，若否，返回步骤2-2)；
2-7)LabVIEW自动测试软件的证书报告生成单元根据测量信息生成证书报告。
5.如权利要4所述的矢量网络分析仪自动化校准方法，其特征在于，每个测量项目加入测量延时时间。
6.如权利要4所述的矢量网络分析仪自动化校准方法，其特征在于，仪器控制单元采用VISA库和Agilent I/O Libraries Suite库；将各型号矢量网络分析仪连通性标准集成到仪器控制单元中，由仪器控制单元对待校准矢量网络分析仪进行识别。
7.如权利要4所述的矢量网络分析仪自动化校准方法，其特征在于，所述步骤2-3)中，测量信息包括待校准矢量网络分析仪信息、测量频率、测量端口、测量项目和测量结果。
8.如权利要4所述的矢量网络分析仪自动化校准方法，其特征在于，所述证书报告自动生成单元采用ActiveX技术解决证书报告和原始记录生成问题。
9.如权利要4所述的矢量网络分析仪自动化校准方法，其特征在于，所述证书报告自动生成单元包含待校准矢量网络分析仪的基本信息填写区、证书及原始记录模板路径选键、证书及原始记录保存路径选键、证书名称显示、原始记录名称输入；所述证书报告自动生成单元能实现证书及原始记录的一键生成，并保存到指定的硬盘目录下，方便调看。
10.如权利要4所述的矢量网络分析仪自动化校准方法，其特征在于，所述步骤2-7)中，对证书报告的封面信息通过插入书签的方式将送检单位、仪器型号、编号插入到证书报告中；待校准矢量网络分析仪信息、校准日期以及格式设置通过子Vi填写到有固定格式的证书报告模板里；对采集到的测量结果，通过设置局部变量，将测量结果由ActiveX格式数据报告处理程序实现测量结果的输出，并保存到已有的证书报告模板中，并运用相关的函数库完成对数据格式的设置。
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