第一章 系统方案设计及功能介绍

1.1系统方案设计

本设计研究散射参数测量装置，该装置以STM32H723ZGT6做为控制芯片，外接散射数据采集模块与显示模块。其中，散射数据采集模块是装置的核心部分，其可以产生扫频信号用于激励待测系统、通过定向电桥分离入射信号与反射信号、将信号通过超外差结构进行混频、使用ADC芯片采集信号。显示模块通过自主设计的UI界面，支持测量参数切换、显示模式切换、量程选择等功能。各模块间接口均引入“牛角座”，通过IDC排线连接，连接方便的同时防反接。我们利用该装置测量出待测系统各频点的幅频与相频特性，从而推算出待测系统的S参数（包括S11、S12、S21、S22），进而推算出待测系统的阻抗连续情况、反射系数、电长度等有关属性。散射参数测量装置总体框如图1.1所示：

图 1.1 散射参数测量装置总体框图

散射数据采集模块负责实现4个关键的模块功能：扫频信号源，定向电桥，混频器和ADC同步信号采集。其中，信号源用来激励待测系统，定向耦合器用来分离S11回波和注入激励，混频器用来进行下变频，本地振荡器则是下变频的信号源。待测信号经过下变频后，需要同时对信号源产生的激励信号进行混频分析，从而实现对散射参数的解算，得益于高性能的数字电路，所有下变频后的信号，进过一个抗混叠滤波器后，即可直接送入ADC进行同步采样，最后进行数字信号处理。

1.2主要技术特点

1.2.1使用方波信号做为信号源

信号源选取芯片Si5351A，其本身是一个时钟产生器，可以用于产生频率为8kHz-160MHz方波时钟信号。相比于同频的正弦信号，方波的奇次谐波（三次谐波、五次谐波……）也可以当做激励信号，于是160MHz的方波信号，除了可以当做160MHz的测试信号，也可以当做480MHz（三次谐波）或800MHz（五次谐波）的测试信号。通过程序配置时钟芯片Si5351的倍频系数和分频系数所对应的寄存器，就可以得到8kHz~800MHz的扫频信号。

1.2.2超外差结构进行下变频

由芯片Si5351A产生的激励信号（即入射信号）、待测设备的反射信号、待测设备的输出信号，都会与芯片Si5351A产生的另一路本振信号通过混频器芯片SA612AD下变频至5kHz，下变频输出信号通过一个低通滤波器后即可通入ADC芯片进行采样。为了保证所有的信号都能被下变频至5kHz，就必须做到fS - fL = 5kHz，其中，fS为芯片Si5351A产生的激励信号的频率，fL为时钟芯片Si5351产生的另一路本振信号的频率。超外差接收机结构如图1.2所示：

图 1.2 超外差接收机结构

1.3性能指标

表 1.1 散射参数测量装置的性能指标

第二章 散射参数测量装置的软件设计与算法实现

2.1程序流程图

2.1.1主程序流程图

当装置上电启动后，各功能模块会进行初始化，初始化完成后，即可通过串口屏进行功能选择，首选需要进行端口校准，以消除测试系统中的系统误差。第二步是设置测试频率范围：配置散射参数测量装置以覆盖所需的频率范围。第三步设置需要测量的散射参数：如S11、S21等。第四步是进行测量：开始测量后，散射参数测量装置会向待测器件发送测试扫频信号，并在对应端口测量输出信号，根据输出信号与测试信号的幅度、相位等信息计算相应的S参数。第四步是选择数据显示方式和内容：坐标轴有线性和对数可选，测量内容有幅度和相位可选。最后一步是记录和分析结果：可以选择将测量结果记录在flash中，以供后续存储读取和分析。主程序具体流程图如图2.1所示：

图 2.1 散射参数测量装置主程序流程图

2.1.2散射参数测量流程图

单片机根据所选测试频率范围，首先控制时钟芯片Si5351产生线性扫频信号，再控制AD7606对输入和输出信号进行采样，等采样结束对采样结果进行分析，结合校正数据计算出设定的S参数，最后通过串口屏进行显示。散射参数测量与计算分析的具体流程图如图2.2所示：

图 2.2 散射参数测量具体流程

2.2 单端口反射系数测量以及系统误差校正

单端口系统误差校准包括OSM(open/short/match，同时也可以称为OSL—open/short/load)。OSL校准属于全单端口校准，可以修正全面的单端口测试涉及的误差项，有效调高测试单端口器件时的精度。

反射测试的基本过程：激励源Source提供信号，经耦合器后大部分经矢网端口输出至DUT；经DUT反射的信号经过耦合器的耦合路径到达测量接收机Meas. Receiver. 由于矢网端口也存在反射，假设反射系数为S，那么在矢网端口与DUT端口之间会存在多次反射，多次反射的量同样也会经过耦合路径进入Meas. Receiver. 此外，由于耦合器并不是理想的，所以其隔离度也是有限的，这导致激励信号的一部分会经过耦合器的隔离通道直接馈入Meas.Receiver。也就是说，Meas. Receiver接收到的信号实际包含三部分：DUT直接反射的信号，测试参考面处的多次反射信号，以及经耦合器隔离通道直接泄露的信号。信号从源发射到被接收机接收的整个过程如图2.3所示：

图 2.3 单端口信号模型

耦合器本身有4个端口，但是考虑到该模型中只涉及耦合器的部分参数，所以此处将其等效为3端口器件，端口分别为port1、 port2、 和port3。S21是指耦合器的直通传输系数，是指泄露通道的传输系数，是指耦合通道的传输系数。简便起见，可以先画出图4.3的信号流图，如图2.4所示，其中为DUT真实的反射系数。

图 2.4 单端口信号流图

由信号流图可以直接得到b3的表达式：

经化简得反射系数的测量值如下：

由上式可知，反射系数测量中包含四个误差项: 、、、S。一般称(）为反射跟踪R(Reflective Tracking),称为方向性,简写为D（Directivity），S则称为源匹配。

经简化，单端口测试时实则共有R、D、S三个误差项。校准时，分别使用Open、Short和Match三个标准件，每个标准件得到一个方程：

其中，、、为端口开路、短路、匹配时测得的反射系数，通过求解方程，可得到唯一的三个误差项的解：

通过三个误差项R、D、S即可反推出真实的反射系数:

=

其中M为测得的反射系数，为校正后真实的反射系数。

第三章 装置测试结果

3.1装置实物图

装置由主控STM32H7开发板、散射数据采集模块、待测器件DUT（本次待测器件是特性阻抗为50Ω的同轴电缆）。装置测量终端开路的同轴电缆长度的状态如图3.1所示：

图 3.1 散射参数测量装置实物图

散射数据采集模块通过扫频信号源，向同轴电缆发射扫频信号，定向电桥分离入射信号和反射信号，两路信号经混频器下变频后通过ADC进行同步采样，主控STM32H7读取2路信号的采样结果，通过DFT进行频谱分析，将2路信号的幅频特性和相频特性进行比较，从而得出各个频点的幅频特性和相频特性。

主控STM32H7将各测试频点的测试结果（包含幅度响应和相位响应），通过串口发送给电脑进行显示，如图3.2所示：

图 3.2 各频点测试结果

主控STM32H7根据电磁波在同轴电缆中的传播速度以及反射信号与入射信号的相位差，计算出同轴电缆的长度。最后将幅频曲线、相频曲线和同轴线缆长度显示于串口屏上，图3.3左边展示的是幅频响应曲线，图3.3右边展示的是相频响应曲线，两种曲线可以通过串口屏上按键切换查看。

图 3.3 幅频响应曲线（左）和相频响应曲线（右）

B站完整视频链接：【同轴电缆长度测量demo】 https://www.bilibili.com/video/BV1eZ421p7kp/?share_source=copy_web&vd_source=55d78a192daa8233cdbffec3fcf10359