所有負(fù)責(zé)測試系統(tǒng)的工程師都有責(zé)任保證測量結(jié)果的精度和可復(fù)驗性?？蓮?fù)驗性，其重要性甚至大于純粹的精度，是確保設(shè)計成功以及制造和運營持續(xù)的關(guān)鍵因素。測試系統(tǒng)中，可復(fù)驗性也是系統(tǒng)包含儀器保證性能的基礎(chǔ)，對網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號分析儀、功率計、示波器和信號發(fā)生器等關(guān)鍵儀器來說尤其重要。如果某個參數(shù)超限，測量結(jié)果將受到負(fù)面影響。

       精確、專業(yè)且可信賴的校準(zhǔn)能夠保證可靠和可復(fù)驗的結(jié)果。校準(zhǔn)及計量方法是工程學(xué)的一個子學(xué)科，受過相關(guān)培訓(xùn)的工程師數(shù)量相對較少。幸運的是，熟悉一些基礎(chǔ)概念能夠幫助改善測量性能，增強(qiáng)對結(jié)果的理解，最終降低根據(jù)測量結(jié)果決策的風(fēng)險。

滿足測量要求

       一套測試系統(tǒng)支持一個測試計劃，關(guān)鍵的第一步是確定表征被測器件性能需要的基礎(chǔ)技術(shù)指標(biāo)。每項技術(shù)指標(biāo)都涉及一系列的測試、容限和精度要求。制定測試計劃時應(yīng)包括硬件選擇，以保證必要的特性和功能。工程師的責(zé)任是全面理解不同硬件選擇的優(yōu)勢與缺陷以及平衡。

       然而，工程師通常對保持所有設(shè)備保證技術(shù)指標(biāo)需要的校準(zhǔn)和維修服務(wù)重視不足，簡單地認(rèn)為定期校準(zhǔn)可以滿足保證長期測量完整性的需求。實際上，測試設(shè)備性能將隨著年限的增加而變化，甚至可能出現(xiàn)故障。校準(zhǔn)不是一件普通商品，確保長期測量可復(fù)驗性的過程不是簡單的“狀態(tài)設(shè)置”。采用前瞻性方法不僅可以顯著改善測試系統(tǒng)的精度和可復(fù)驗性，而且能夠降低測量超限風(fēng)險，提高系統(tǒng)的實際精度，進(jìn)而幫助確保被測器件的性能，提升整體制造效率。

圖 1 理解標(biāo)稱 DANL 和 TOI 性能可以幫助優(yōu)化雜散搜索

應(yīng)用校準(zhǔn)改善雜散測量

       下面我們將通過應(yīng)用信號分析儀的雜散信號測量實例演示如何增強(qiáng)測量結(jié)果信心。這是一次演示而非雜散測量教程。所有類型的射頻和微波應(yīng)用都無法避免多余的雜散信號，例如無線通信、雷達(dá)和電子戰(zhàn)。很多雜散源于日益擁擠的頻譜環(huán)境，雜散可能出乎意料或在意料之中。其他雜散信號可能源于被測器件本身。如果器件包含多個發(fā)射機(jī)且物理間隔距離較近，雜散可能較為嚴(yán)重。兩臺發(fā)射機(jī)之間的距離越近，干擾的可能性和程度越高。部分測得雜散可能源于頻譜或信號分析儀本身，因為不同制造商控制分析儀自身對測量結(jié)果影響的能力不盡相同。

       總的來說，雜散可能導(dǎo)致很多潛在問題。在雷達(dá)系統(tǒng)中，雜散可能影響系統(tǒng)測量微小回波信號的能力，降低屏幕顯示結(jié)果的可信度。接收天線自身生成的雜散可能暴露其存在和位置，導(dǎo)致敏感性現(xiàn)場任務(wù)失敗。因此，執(zhí)行測量時，關(guān)鍵問題在于確定出現(xiàn)的雜散是否真實。

       搜索雜散通常需要避免大信號的干擾來查找小信號。因此，無雜散動態(tài)范圍和靈敏度將成為選擇儀器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。由于雜散信號頻率通常未知，搜索雜散信號需要從寬頻帶頻譜測量開始。輸入衰減的最佳設(shè)置取決于最寬間隔中最大信號的幅度。寬間隔加上可能存在的大信號，很多低電平信號可能由于頻率分辨率和實際本底噪聲等原因而無法測得。增加可用動態(tài)范圍需要盡可能降低并保證充分的輸入衰減，以避免分析儀生成的信號干擾測量，例如諧波和互調(diào)。分辨率帶寬（RBW）設(shè)置應(yīng)當(dāng)合理，以降低分析儀本底噪聲，并分辨間隔較近的雜散，同時保證測量速度。

       驗證雷達(dá)激勵產(chǎn)生器的無雜散動態(tài)范圍（SFDR）是一個不錯的實例。載波基準(zhǔn)頻率為 10 GHz。激勵產(chǎn)生器的無雜散動態(tài)范圍相比載波（-80 dBc）必須低 80 dB，因此 +15 dBm 輸出電平的激勵器 SFDR 為 -65 dBm。這是被測器件的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。表征這些參數(shù)需要依賴于信號分析儀的動態(tài)范圍，而動態(tài)范圍取決于噪聲和雜散技術(shù)指標(biāo)。假設(shè)信號分析儀的顯示平均噪聲電平（DANL）為 -148 dBm。DANL 通常以 1 Hz 分辨率帶寬為標(biāo)準(zhǔn)，使用 10 kHz 分辨率帶寬時的實際 DANL 為 -108 dBm。剩余響應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)為 -100 dBm 或以下。與之相關(guān)的三階互調(diào)（TOI）為 -90 dBm。理解預(yù)期 DANL（非硬性技術(shù)指標(biāo)）和 TOI 的平衡十分重要，可以幫助設(shè)置合理的雜散測量輸入衰減和混頻器電平（參見圖 1）。除了常用技術(shù)指標(biāo)，了解不同分析儀的實際性能也可以有所幫助。分析儀性能高于、低于還是與技術(shù)指標(biāo)一致？如果優(yōu)于技術(shù)指標(biāo)，性能提升了多大的幅度？這些是幫助工程師解讀分析儀實際測量結(jié)果的重要信息。

圖 2 雜散信號測量應(yīng)用軟件顯示的被測器件雜散信號測量結(jié)果

       回到最根本的問題，我看到的雜散信號是否真實？結(jié)合能夠改善實際測量性能的信息，我們可以很容易地解答這個問題。例如，應(yīng)用校準(zhǔn)結(jié)果可以改善測量性能和速度。圖 2 是信號分析儀雜散信號測量應(yīng)用軟件顯示的結(jié)果。表格視圖顯示了雜散編號、測量范圍、雜散頻率、雜散幅度和用戶輸入的測量限制。

       對比被測器件測量結(jié)果與信號分析儀的實際校準(zhǔn)數(shù)據(jù)能夠幫助我們應(yīng)用現(xiàn)有知識調(diào)整測量設(shè)置，從而增強(qiáng)對測量結(jié)果的信心。表 1 顯示的是高性能信號分析儀校準(zhǔn)后的測量數(shù)據(jù)。最大雜散出現(xiàn)在 1.1 GHz，電平 -105.25 dBc。因此，調(diào)整衰減和分辨率帶寬設(shè)置可以降低本底噪聲，進(jìn)一步確定顯示信號的真實性。

借助校準(zhǔn)數(shù)據(jù)增強(qiáng)性能

       完整校準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)能夠測試并驗證儀器所有可能配置條件下的全部保證技術(shù)指標(biāo)。然而，并非所有校準(zhǔn)服務(wù)都可以提供如此全面的測試。這是一個很難實現(xiàn)的任務(wù)。例如，校準(zhǔn)典型的中等性能信號分析儀需要 36 類測試，才能確保儀器性能符合預(yù)期。完成所有測試后，實驗室還需要提供可追溯至（符合）公認(rèn)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的完整測量報告。驗證測試、測試結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)一致性也是確保分析儀符合保證技術(shù)指標(biāo)的重要步驟。圖 3 是一份能夠幫助改善測量性能的校準(zhǔn)報告實例。表格包含了信號分析儀的測得頻率響應(yīng)，包括測量不確定度和適合的儀器技術(shù)指標(biāo)。該數(shù)據(jù)可以幫助獲得更精確的被測器件技術(shù)指標(biāo)、增加制造裕量、提升測試效率和改善產(chǎn)品良率。在研發(fā)領(lǐng)域，該數(shù)據(jù)能夠幫助優(yōu)化設(shè)計，并避免協(xié)調(diào)不同團(tuán)隊不一致的測試結(jié)果。

圖 3 儀器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可以幫助解讀測量結(jié)果。

       盡管通常有一名工程師負(fù)責(zé)保證測量性能，但他/她一般不是唯一能夠獲取校準(zhǔn)服務(wù)的人員。以下建議能夠確保公司獲得需要的校準(zhǔn)，并避免導(dǎo)致儀器性能低于預(yù)期的風(fēng)險。首先，明確校準(zhǔn)預(yù)期很重要，即確定每次校準(zhǔn)時必須驗證的儀器保證性能參數(shù)。確保其他人明確“性能驗證”標(biāo)準(zhǔn)也很重要。即使經(jīng)過調(diào)整，這也并不等同于真正的校準(zhǔn)。實際上，每次校準(zhǔn)都驗證所有已安裝選件的全部保證技術(shù)指標(biāo)能夠獲得更佳的結(jié)果。如果需要進(jìn)一步的保證，校準(zhǔn)時應(yīng)包括以下內(nèi)容：

· 審計校準(zhǔn)報告

· 完整的測試結(jié)果

· 所有校準(zhǔn)設(shè)備列表并確保已經(jīng)過測試

· 確認(rèn)校準(zhǔn)符合可追溯性要求

       最后，確定“保險”的經(jīng)濟(jì)價值。例如，能夠滿足或高于目標(biāo)良率可以減少被測器件廢品率和返工量。此類信息可以幫助管理和采購人員重視高質(zhì)量校準(zhǔn)的價值。

結(jié)論

       選擇可以信賴的校準(zhǔn)服務(wù)提供商是保證測試儀器性能符合預(yù)期的最佳方法。高質(zhì)量校準(zhǔn)等于測試效率和裕量以及產(chǎn)品良率。在航空航天與國防領(lǐng)域，高質(zhì)量校準(zhǔn)可以增加任務(wù)成功的幾率。所有情況下，可靠的校準(zhǔn)都可以確保一致的測量結(jié)果，幫助工程師更輕松地確定產(chǎn)品或設(shè)計問題，從而保證開發(fā)和制造效率。