趙金鵬，李龍，宋淼，焦志超

（中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東青島，266555）

0 引言

在模塊化小型微波測試儀器中，小型化是需要重點解決的問題。某型PXI總線矢量網(wǎng)絡分析模塊采用3U標準PXI結(jié)構(gòu)，占用3槽寬度，體積約為61mm×140mm×215mm（寬×高×深），而功能指標類似的傳統(tǒng)臺式矢量網(wǎng)絡分析儀體積約為500mm×200mm×550mm，可見其體積大約只為傳統(tǒng)臺式機的1/30，小型化的壓力非常之大。這就要求從設計源頭入手，簡化電路結(jié)構(gòu)。

在傳統(tǒng)具備反射和單向傳輸測試能力的臺式矢量分析儀中，有三路測量通道，其中頻部分如圖1所示，參考通道（r路）、反射通道（A路）、接收通道（B路）分別進行信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集，然后進入FPGA進行處理。考慮到體積和成本，本文中的PXI矢量網(wǎng)絡分析模塊設計對電路進行了簡化，只采用了一路數(shù)據(jù)采集芯片（ADC），如圖2所示，參考通道（R路）、反射通道（A路）、接收通道（B路）分別進行信號調(diào)理，然后通過開關(guān)控制，由同一個ADC對三路信號輪流進行采集，進入FPGA進行數(shù)據(jù)處理。

圖1 傳統(tǒng)臺式矢量分析儀測量通道中頻部分原理示意圖

圖2 本文PXI矢量分析模塊測量通道中頻部分原理示意圖

1 可行性分析

本文PXI矢量網(wǎng)絡分析模塊中頻帶寬最大30kHz，中頻頻率采用195kHz，現(xiàn)有開關(guān)的切換速度足以實現(xiàn)分時采樣。

在進行S21測試時，設R路中頻信號為：

B路中頻信號為：

由此可以看出，不同時刻采樣，對兩路中頻信號的幅度信息是沒有影響的，只會對其相位信息帶來影響，在tR時刻對R路中頻信號進行采樣，其相位為：

在tB時刻對B路中頻信號進行采樣時，其相位為：

所以：

假設矢量網(wǎng)路分析儀的射頻源信號為：

本振信號為：

令：

可以看出R路射頻信號角頻率為：

B路射頻信號角頻率為：

所以：

故有：

設采樣時鐘周期為T采樣，頻率為f采樣，則：

其中，n為正整數(shù)，由（4）、（5）兩式可得：

分時采樣對S21相位的影響表現(xiàn)為等式右邊第一項，即：

本文采樣時鐘通過鎖相環(huán)實現(xiàn)，此鎖相環(huán)將R路中頻信號作為參考時鐘，產(chǎn)生的采樣時鐘頻率為中頻信號頻率的36倍，這樣確保了中頻信號頻率與采樣時鐘頻率關(guān)系嚴格固定，從而使得分時采樣對S21測量帶來的影響得以消除。同理，用這種方法同樣也可以消除S11測試中分時采樣帶來的影響。

2 實施方案

分時采樣硬件實施方案如圖3所示，通過將功率穩(wěn)定的R路中頻信號作為參考信號，用鎖相環(huán)構(gòu)造頻率為中頻信號頻率36倍的ADC采樣時鐘信號，并利用FPGA對采樣時鐘進行分頻構(gòu)造4倍于中頻信號頻率的信號作為切換開關(guān)的控制信號，頻率合成器選用的是內(nèi)部集成了壓控振蕩器（VCO）的74HC4046，圖中CLK_SAM為A/D采樣時鐘，Ctrl_R、Ctrl_A、Ctrl_B分別是參考（R路）、反射（A路）、接收（B路）切換開關(guān)的控制信號，F(xiàn)PGA_FB_4046是采樣時鐘信號經(jīng)FPGA 36分頻之后到頻率合成器的反饋信號。

圖4所示為分時采樣的控制時序示意圖，R、A、B三路控制信號低電平有效，三路控制信號按照R、A、B的順序交替為低，控制該路上的開關(guān)導通，使該路信號進入ADC，完成數(shù)據(jù)采集。

圖3 分時采樣實施方案示意圖

圖4 分時采樣控制時序示意圖

采樣控制過程中，充分考慮了FPGA控制的實時性和上位機軟件的靈活性，設計了以FPGA為實時控制中心的的掃描控制方式。上位機根據(jù)用戶參數(shù)輸入及相關(guān)硬件狀態(tài)信息對功率、頻率進行分配，計算出每一個頻率點需要設置的各控制項數(shù)據(jù)，以結(jié)構(gòu)數(shù)組的形式寫入FPGA中的虛擬內(nèi)存。FPGA在上位機軟件控制下啟動掃描，按照配置的參數(shù)，逐點設置本振、信號源頻率，調(diào)整通道增益，中頻信號采集、濾波完成R、A、B三路信號的幅度、相位原始數(shù)據(jù)的提取，并通過中斷的形式，實時的將測量數(shù)據(jù)送給上位機進行進一步的誤差校正與顯示處理。其控制過程如圖5所示。

3 設計效果

采用本文分時采樣方案的PXI矢量網(wǎng)絡分析模塊以3槽寬的3U PXI結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對S11、S21參數(shù)的測量，其頻率范圍覆蓋了10MHz～6GHz，動態(tài)范圍達到了100dB。圖6是利用PXI矢量網(wǎng)絡分析模塊對某濾波器進行測試的結(jié)果。

圖5 上位機軟件與FPGA協(xié)同工作流程圖

圖6 利用PXI矢量網(wǎng)絡分析模塊測試濾波器