提高多端口微波器件的測試效率--雙工器

前言

在采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試多端口微波器件時(shí)，測試過程中需要更換測試電纜和DUT不同端口之間的連接。如用兩端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量雙工器，除了第一次連接以外，在測試過程中還需要變換兩次連接，測試者要另外做出四次連接動作(兩次接電纜，兩次接測試負(fù)載)，然后再對儀器進(jìn)行手動操作測試。在大批量生產(chǎn)情況下，這種傳統(tǒng)測試方法的測試效率較低，測試成本較高;尤其是高低溫試驗(yàn)時(shí)，傳統(tǒng)的測試方法無法滿足需求。

本文討論了一種測試方法——通過開關(guān)矩陣和自動化測試軟件來快速、高效地完成雙工器的測試，這種方法非常適用于雙工器的批量生產(chǎn)測試以及高低溫試驗(yàn)中。

問題的來源

問題出現(xiàn)在一個(gè)雙工器高低溫試驗(yàn)。出廠標(biāo)準(zhǔn)要求被測雙工器在-30°C和+60°C的試驗(yàn)箱里各放置90分鐘后，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試其S參數(shù)。

圖1為雙工器的電原理圖，其中TX/RX/ANT分別為發(fā)射/接收/天線端。

圖1. 雙工器電原理圖

雙工器的測試指標(biāo)包括從ANT至TX之間、ANT至RX的插入損耗，TX和RX之間的隔離，以及三個(gè)端口的駐波。

開始試驗(yàn)時(shí)，我們將被測雙工器放入高低溫試驗(yàn)箱，將ANT和TX端口接入網(wǎng)絡(luò)分析儀。將低溫設(shè)置為-30°C，90分鐘后測試了ANT至TX的插入損耗及兩個(gè)端口的駐波，然后打開試驗(yàn)箱，將測試電纜從TX移至RX端并關(guān)上箱門，此時(shí)我們發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)箱的溫度迅速升至0°C，過了約半小時(shí)后溫度才緩慢降至-30°C，完成ANT至RX的插入損耗及RX端的駐波測試后，打開箱門重復(fù)進(jìn)行了TX至RX的隔離測試。

由于在試驗(yàn)過程中頻繁開關(guān)箱體門，導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)間超過預(yù)計(jì)，即使將兩只被測雙工器同時(shí)放入試驗(yàn)箱，完成兩只的測試也整整花費(fèi)了一整天時(shí)間。可以想象按照這種測試方法，對于批量產(chǎn)品哪怕是按比例抽檢也不能滿足測試效率和成本的要求。

多端口微波器件的高效率測試解決方案

常溫測試方法介紹

我們采用2×N的全開關(guān)矩陣來擴(kuò)展矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試端口，以適應(yīng)多端口微波器件的測試。

圖2顯示了采用2×6開關(guān)矩陣進(jìn)行雙工器測試的系統(tǒng)連接圖，其中網(wǎng)絡(luò)分析儀通過開關(guān)矩陣后變成了“6端口”。采用開關(guān)矩陣后，測試參考面延伸至六條測試電纜的端口，開機(jī)后，首先對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，自動化測試軟件可以記錄并保存每個(gè)通路的校準(zhǔn)值，并在測試過程中調(diào)用;連接好被測件后，根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求設(shè)置好測試條件，然后點(diǎn)擊“開始”鍵，軟件會自動完成整個(gè)測試過程并生成測試報(bào)告。

通過自動化測試軟件的指令，可以自動切換不同的測試通路，依次完成雙工器1和雙工器2的各項(xiàng)指標(biāo)的測試，而不需要手動更換電纜和測試端口。

圖2. 采用開關(guān)矩陣進(jìn)行雙工器的自動化測試

采用圖2的自動化測試系統(tǒng)，完成校準(zhǔn)、測試條件設(shè)置后，測試一只雙工器只要花費(fèi)幾秒鐘時(shí)間，這樣一天可以完成200-300只雙工器的測試，相比兩端口網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測量法，測試效率至少提高了五倍。

測試精度分析

對于圖2的測試系統(tǒng)，你可能會關(guān)心校準(zhǔn)和測試精度兩個(gè)問題，以下分別進(jìn)行描述。

校準(zhǔn)

圖2的測試系統(tǒng)中，測試參考面在被測雙工器的端口，也就是有6個(gè)測試端口。因此在校準(zhǔn)是分別在6個(gè)連接到雙工器的電纜端口進(jìn)行的，軟件可以記錄并存儲校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，而不需要每次重復(fù)校準(zhǔn)。

測試精度

經(jīng)過校準(zhǔn)后，開關(guān)矩陣和測試電纜成為了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的一部分，我們針對鐵氧體隔離器作為被測件進(jìn)行了比較測試，結(jié)果如圖3所示。

鐵氧體器件是窄帶微波器件，圖3所示的隔離器工作頻段為820-960MHz，實(shí)測結(jié)果顯示在不同頻段內(nèi)以及不同駐波值，采用網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測試和通過開關(guān)矩陣測試的結(jié)果吻合度很高。

圖3. 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試精度比較(直通和開關(guān)矩陣)

常溫實(shí)測結(jié)果

圖4顯示了采用圖2的方法對一個(gè)700MHz頻段雙工器的測試結(jié)果。

圖4a.ANT-TX通路損耗

圖4b.ANT-RX通路損耗

圖4c.駐波

圖4. 雙工器的常溫測試結(jié)果

作為自動化測試軟件的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，所有測試數(shù)據(jù)都可以被永久保存和溯源，這為各類微波器件在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)保障。

多端口器件高低溫試驗(yàn)的高效率測試解決方案

測試方法介紹

我們采用上述方法來進(jìn)行雙工器的高低溫試驗(yàn)(圖5)。高低溫試驗(yàn)箱中放入了四只被測雙工器，這可以根據(jù)實(shí)際測試條件而定。

開始測試時(shí)，首先將試驗(yàn)箱的溫度設(shè)置為-30°C并保持90分鐘后，通過自動化測試軟件完成雙工器1和2的測試并記錄數(shù)據(jù)。測試完畢后，在試驗(yàn)箱外部手動將雙工器3和4連接至開關(guān)矩陣并完成測試。完成低溫測試后，將試驗(yàn)箱溫度設(shè)置為+60°C，待穩(wěn)定后同樣完成四只雙工器的上述測試。

圖5. 采用開關(guān)矩陣進(jìn)行雙工器的自動化測試

采用2×6開關(guān)矩陣一天可以完成八只雙工器的高低溫試驗(yàn)，相比前述的兩端口網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測量法，測試效率提高了四倍。根據(jù)試驗(yàn)箱的容量以及開關(guān)矩陣的通路數(shù)，測試效率還可以進(jìn)一步提高。

結(jié)論

本文討論了一個(gè)非常具有實(shí)用意義的測試方法，通過實(shí)際應(yīng)用，我們可以得出以下結(jié)論：

1) 采用開關(guān)矩陣可以大大提高矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試效率。

2) 本文所描述的測試方法適用于生產(chǎn)線的大批量測試，將會大大提高測試效率、降低測試成本。

3) 本文所描述的測試方法十分適用于各類多端口微波器件的高低溫試驗(yàn)。

4) 采用開關(guān)矩陣的測試精度和直接測量法是一致的。

5) 采用自動化測試軟件，可以對被測件的數(shù)據(jù)進(jìn)行永久保存，方便溯源。