馬延軍

一種異頻相參源的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

馬延軍

（西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西西安710054）

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)高度復(fù)雜且價格昂貴，從而難于廣泛普及。設(shè)計(jì)了一款輕小實(shí)用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，采用了異頻相關(guān)源技術(shù)，使整個系統(tǒng)達(dá)到了相位同步，在上位機(jī)完成數(shù)據(jù)處理及顯示。樣機(jī)測試結(jié)果表明，此矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀極限工作頻段達(dá)到12 GHz，動態(tài)范圍最高約為100 dB，在8 GHz頻段，動態(tài)范圍約為70 dB。在4 GHz測試表明，幅度精度標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于0.05 dB，相位精度標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于0.1°。

傳輸特性；相參；測試分析儀；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；相位；幅度

引用格式：馬延軍.一種異頻相參源的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀［J］.無線電工程，2016，46（5）：53-55.

0 引言

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是微波與通信系統(tǒng)測試的關(guān)鍵設(shè)備，可廣泛應(yīng)用于4G/5G移動通信、軍工和科研教育等領(lǐng)域［1］，涉及到大量的微波器件、信號處理及校準(zhǔn)算法，系統(tǒng)高度復(fù)雜且體積笨重［2］，代表性產(chǎn)品有安捷倫公司的PNA系列產(chǎn)品和41所的系列產(chǎn)品等。然而，這些產(chǎn)品大都體積笨重或者成本高昂，很難于在工業(yè)生產(chǎn)及測試中大量采用。本文采用了AD9851/AD4351等若干高度集成的芯片并利用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)設(shè)計(jì)了一款輕小實(shí)用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。利用2片ADF4351生成內(nèi)置異頻相參信號源，一路信號源作為激勵對外輸出，另外一路用于接收機(jī)。在頻率調(diào)諧時候，兩路相參合成信號源保持固定的頻差，此頻差作為中頻信號并進(jìn)一步下變頻到零中頻后，進(jìn)行相位及幅度的檢測，最終在上位機(jī)完成數(shù)據(jù)處理及顯示。樣機(jī)測試結(jié)果表明，此系統(tǒng)測量頻段寬，動態(tài)范圍大且精度良好，可廣泛應(yīng)用到科研與工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。

1 工作原理

1.1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀基本原理

是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本原理示意如圖1所示［3］。由圖1可知，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀有一個激勵源及若干個接收機(jī)組成。激勵源在開關(guān)的控制下分別由端口1（Port1）或者端口2（Port2）對外輸出，加載到待測器件上面。激勵信號通過待測器件前后，通過定向耦合器進(jìn)入到a1、a2、b1和b2等接收機(jī)，信號經(jīng)過中頻處理后，計(jì)算得到其S參數(shù)，包括S11、S12、S21和S22等［4］。在進(jìn)行S參數(shù)計(jì)算時候，通常需要一系列的校準(zhǔn)算法以消除系統(tǒng)誤差［5］。

圖1　矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本原理

1.2 異頻相參源矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

基于異頻相參源的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵的激勵源及接收機(jī)部分并通過傳輸測試完成系統(tǒng)功能的驗(yàn)證［6］。在此基礎(chǔ)之上，可以進(jìn)一步引入定向耦合器等模塊完成完整的S參數(shù)測量。

基于異頻相參源的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀其主要特點(diǎn)在于內(nèi)置2個異頻同相信號源及零中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)［7］。具體如圖2所示，分為源與接收機(jī)2個主要部分。

圖2 異頻相參源矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

圖2中，上面部分為源，下面部分為接收機(jī)。REF為整個系統(tǒng)的參考源，為整機(jī)提供相位參考。其頻率記為fREF，相位為pREF。REF1與REF2為數(shù)字頻率合成器，REF1為合成激勵源及接收機(jī)同時提供相位參考，REF2為零中頻提供相位參考同時完成3階交調(diào)抑制與提取等處理。REF1與REF2的頻率分別為fREF1和 fREF2，其相位分別為pREF1和pREF2。對外輸出的激勵源（Source）為合成信號源，其頻率與相位分別為fRF和pRF。本振信號（LO）也是合成信號源，其頻率與相位分別為fLO和pLO。

系統(tǒng)分為基波與諧波2種工作模式，基波覆蓋頻率范圍為35～4 400 MHz，諧波覆蓋范圍為4.4～12 GHz，這里采用了3次諧波。諧波工作模式可通過在激勵源輸出添加濾波器及放大器等模塊進(jìn)一步擴(kuò)展動態(tài)范圍及能夠?qū)τ性雌骷M(jìn)行測試［8］。

基波工作過程如下［9］：

①控制數(shù)字頻率合成信號源fREF1=fREF2=fIF，且pREF1=pREF2；

②控制合成信號源fRF-fLO=fIF，即使Source與LO保持固定的頻偏且相位是與REF保持同步的；

③信號經(jīng)過DUT后進(jìn)入混頻器MIX1，與LO混頻后從濾波器Filter1中取出中頻分量，F(xiàn)ilter1的中心頻點(diǎn)取為fIF；

④中頻信號經(jīng)過Filter1后進(jìn)入MIX2，與REF2混頻并濾波后得到零中頻的同相分量ZIF0；

⑤ 控制合成信號源使 pREF2-pREF1=π/2，即REF2相對于REF1相位變化π/2，得到零中頻的正交分量ZIF90。同理，分別得到ZIF180及ZIF270；

⑥零中頻信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)PC利用ZIF0、ZIF90、ZIF180和ZIF270進(jìn)行傳輸特性的計(jì)算；

⑦返回到①繼續(xù)進(jìn)行下一個頻點(diǎn)的計(jì)算。

諧波工作過程如下：

①控制數(shù)字頻率合成信號源fREF1=fREF2=fIF，且pREF1=pREF2；

②控制合成信號源fRF-fLO=fIF/3，讓Source與LO保持固定的頻偏且相位是與REF保持同步的；

③信號經(jīng)過DUT后進(jìn)入混頻器MIX1，與LO混頻后從濾波器Filter1中取出中頻分量，F(xiàn)ilter1的中心頻點(diǎn)取為fIF；

④中頻信號經(jīng)過Filter1后進(jìn)入MIX2，與REF2混頻并濾波后得到零中頻的同相分量ZIF0；

⑤ 控制合成信號源使 pREF2-pREF1=π/2，即REF2相對于REF1相位變化π/2，得到零中頻的正交分量ZIF90。同理，分別得到ZIF180及ZIF270；

⑥零中頻信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)PC利用ZIF0、ZIF90、ZIF180和ZIF270進(jìn)行傳輸特性的計(jì)算；

⑦返回到①繼續(xù)進(jìn)行下一個頻點(diǎn)的計(jì)算。

2 系統(tǒng)測試

2.1 系統(tǒng)動態(tài)范圍測試

系統(tǒng)的動態(tài)范圍測試圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)動態(tài)范圍測試

由圖3可以看到，在4 GHz一下頻段其動態(tài)范圍大于100 dB，在8 GHz頻段一下其動態(tài)范圍大約70 dB。系統(tǒng)的最大工作頻段可以達(dá)到12 GHz。動態(tài)范圍大于70 dB就具有了較大的實(shí)用價值［10］。

2.2 濾波器測試實(shí)例

濾波器的傳輸特性測試如圖4所示，此濾波器中心頻點(diǎn)約為2.95 GHz，帶寬約為50 MHz。在此測試中，采用了相對較為簡單的頻率響應(yīng)校準(zhǔn)［11］。由圖4可見，濾波器的插入損耗大約為2 dB且在通帶內(nèi)具有線性相位，正確地反映了濾波器的特性。

圖4　濾波器測試

2.3 系統(tǒng)精度測試

充分預(yù)熱待溫度穩(wěn)定后，測試4 GHz頻點(diǎn)，中頻分辨率帶寬取50 Hz，在沒有校準(zhǔn)下，直接測試50 dB衰減器精度情況，精度測試情況如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)精度測試

由圖5可見，幅度精度標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于0.05 dB，相位精度標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于 0.1°，校準(zhǔn)后的穩(wěn)定性基本不變［12］。

3 結(jié)束語

充分利用現(xiàn)有的高度集成的芯片，設(shè)計(jì)了一款矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀并實(shí)現(xiàn)了傳輸測試功能，進(jìn)一步可實(shí)現(xiàn)S參數(shù)測量，同時其精度還可進(jìn)一步提高，如采用更高質(zhì)量的電路板以改善溫度效應(yīng)帶來的誤差，通過更換頻率合成器芯片可進(jìn)一步提高頻率范圍到18 GHz以上，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

［1］ DUNSMORE J P.Handbook of Microwave Component MeasurementswithAdvancedVNATechniques［M］. United Kingdom：John Wiley&Sons Ltd，2012.

［2］ 胡楚鋒，許家棟，李南京，等.基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的目標(biāo)極化散射特性測量與校準(zhǔn)［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，28（3）：349-352.

［3］ TEPPATI V，F(xiàn)ERRORO A，SAYED M.Modern RF and Microwave MeasurementTechniques［M］.NewYork：Cambridge University Press，2013.

［4］ NELSON C.High-frequency and Microwave Circuit Design ［M］.Boca Raton：CRC Press，2007.

［5］ 趙永久.多端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)技術(shù)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

［6］ 孫志為.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀擴(kuò)頻技術(shù)研究［D］.西安：電子科技大學(xué)，2010.

［7］ ISAKSSON M，ZENTENO E.A Synthetic Vector Network Analyzing Measurement System［J］.IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement，2011，60（6）：2 154-2 161.

［8］ 元國慶.高精度矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀混頻接收機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)［D］.西安：電子科技大學(xué)，2007.

［9］ 王 琦.現(xiàn)代矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)與測量［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，23（2）：31-34.

［10］趙 偉，趙永久，袁春花，等.一種基于10項(xiàng)誤差模型的二端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)方法［J］.電子學(xué)報(bào)，2011，39（10）：2 469-2 473.

［11］LEWANDOWSKI A，WIATR W，BARMUTA P.Offset-short Vector-network-analyzer Calibration with Simultaneous Modeling of Calibration Standards［C］∥Microwave Measurement Conference（ARFTG），2014 84th ARFTG，2014：1-4.

［12］尚贊玉.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)新算法的研究［D］.西安：電子科技大學(xué)，2014.

Vector Network Analyzer Based on Different Frequency Sources with Coherent-Phase

MA Yan-jun
（College of Communication and Information Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an Shaanxi 710054，China）

Vector network analyzer is a fundamental tool in the development of microwave devices and communication systems.It is very complex and usually expensive.A low-cost portable vector network analyzer is designed and implemented in this paper，where two frequency sources with coherent-phase are implemented.The signal processing is completed in the computer.The test results show that a frequency band up to 12 GHz can be tested；the dynamic range is about 100 dB below 4 GHz and about 70 dB at 8 GHz.At 4 GHz，the deviation of the amplitude is about 0.05 dB，while the deviation of the phase is about 0.1 degree.

transmission characteristics；phase-coherence；test-analyzer；vector network analyzer；phase；amplitude；

TN911；G642

A

1003-3106（2016）05-0053-03

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.14

2016-01-07

陜西省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目（15JK1470，15JK1463）；西安科技大學(xué)培育基金資金項(xiàng)目（201355，2014074）；西安科技大學(xué)2015年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510704082）。

馬延軍 男，（1978—），博士，講師。主要研究方向：移動通信與軟件無線電等。