了解矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的內(nèi)部工作

在本文中，我們將探討VNA的信號源和接收器是如何實(shí)現(xiàn)其功能的。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）可能是射頻工程領(lǐng)域中最復(fù)雜、最通用的測試設(shè)備。通過測量正向和反向行波，VNA能夠表征被測器件（DUT）的響應(yīng)。圖1顯示了一個(gè)典型VNA的基本框圖。

VNA的基本框圖

圖1.VNA基本框圖。圖片由David M.Pozar提供

VNA使用內(nèi)部源來生成已知的刺激信號，然后將其施加到DUT的輸入端口。部分信號從輸入端口反射，而部分信號通過DUT到達(dá)輸出端口。VNA通過測量每個(gè)端口的入射波和反射波的幅度和相位，以反射系數(shù)和傳輸系數(shù)表征DUT的性能。

要了解VNA性能的驅(qū)動(dòng)因素，我們需要熟悉VNA的內(nèi)部硬件。本系列之前的文章重點(diǎn)介紹了VNA端口中使用的定向耦合器——它們在VNA功能中的關(guān)鍵作用及其對測量精度的影響。在本文中，我們將把注意力轉(zhuǎn)向VNA的信號生成器和接收器。

VNA源組件

對于基本的S參數(shù)測量，VNA的內(nèi)部源需要產(chǎn)生單音正弦波。對于更高級的測量，我們可能需要多音輸入或調(diào)制信號來更完整地表征DUT。為了實(shí)現(xiàn)不同類型的測量，內(nèi)部電源的頻率和功率也必須是可調(diào)節(jié)的。

VNA使用鎖相環(huán)（PLL）系統(tǒng)，如圖2中的簡化框圖所示，以提供所需的頻率穩(wěn)定性和頻譜純度。

鎖相環(huán)系統(tǒng)的簡化框圖

圖2:PLL的簡化框圖。圖像由Analog Devices提供

PLL的性能在很大程度上取決于它所使用的可調(diào)諧振蕩器的特性。構(gòu)建RF/微波可調(diào)諧振蕩器的兩種常見選擇是：

壓控振蕩器（VCO）。

釔鐵石榴石（YIG）調(diào)諧振蕩器（YTO）。

如您所見，圖2中的振蕩器是一個(gè)VCO。大多數(shù)EE至少對VCO的操作有一點(diǎn)熟悉，所以在我們繼續(xù)討論YIG振蕩器之前，我們只簡單地介紹一下它們。

VCO基于集總LC或分布式微帶諧振器，并使用變?nèi)荻O管來實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧電容器。它們的Q值通常在幾十到幾百之間。由于其低Q和高調(diào)諧靈敏度，寬帶VCO比YIG調(diào)諧振蕩器具有更高的相位噪聲。

YIG振蕩器由于其低寬帶相位噪聲和寬調(diào)諧范圍，是許多現(xiàn)代寬帶信號發(fā)生器的核心。圖3顯示了Micro Lambda的一對YIG調(diào)諧振蕩器。

YIG調(diào)諧振蕩器來自Micro Lambda。

圖3.MLOS系列YIG調(diào)諧振蕩器。圖片由Micro Lambda提供

YIG振蕩器

釔鐵石榴石是一種合成的鐵磁性材料，具有獨(dú)特的磁性和微波特性。YIG諧振器采用直徑約500μm的小球的形式，由這種材料的單晶制成。YIG球體通常安裝在陶瓷棒的尖端，如圖4所示。

作為振蕩器的一部分安裝在陶瓷棒上的YIG球體。

圖4.作為振蕩器的一部分安裝在陶瓷棒上的YIG球體。甚高頻通信提供的圖像

圖4中的U形帶是一個(gè)圍繞YIG球的耦合線圈，將其定位在電磁鐵的磁場中。球體的諧振頻率是磁場強(qiáng)度的線性比例函數(shù)，可以通過調(diào)節(jié)流經(jīng)電磁鐵的直流電流來調(diào)節(jié)。使用這種類型的諧振器可以實(shí)現(xiàn)相對較高的Q——在10GHz的4000范圍內(nèi)。

YTO與VCO的優(yōu)缺點(diǎn)

YTO具有以下有利特征：

低寬帶相位噪聲。

非常寬的調(diào)諧范圍。

高度線性的調(diào)諧曲線。

不太有利的是，YIG振蕩器表現(xiàn)出滯后效應(yīng)，這降低了它們的調(diào)諧速度。這對需要源快速掃過頻率以收集DUT的頻率響應(yīng)的VNA應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。與VCO相比，YIG振蕩器也是大的、耗電的、昂貴的。

值得注意的是，一些公司已經(jīng)嘗試為YIG調(diào)諧振蕩器創(chuàng)造有競爭力的替代品。本Analog Devices應(yīng)用說明中描述的PLL/VCO集成電路就是一個(gè)例子。

光譜純度與相位噪聲要求

盡管源的相位噪聲影響所有測量，但在某些情況下，光譜純度要求可能會放寬——例如，在表征設(shè)備的線性響應(yīng)時(shí)。這是因?yàn)?/span>VNA知道刺激信號的頻率。因此，即使在存在不期望的頻率分量的情況下，它也可以調(diào)諧到適當(dāng)?shù)念l率并進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。

然而，諸如互調(diào)失真和頻率平移之類的非線性測量更有可能受到來自源的不想要的頻率分量的影響。

VNA接收器

再參考圖1中的框圖，我們可以看到，DUT的輸入端口（端口1）包含兩個(gè)接收器，用于測量入射波和反射波。參考通道的接收器處理刺激；用于測量或測試信道的接收器測量未知反射信號。

接收器也存在于DUT的輸出端口（端口2）處，以測量設(shè)備發(fā)射的信號。圖1中的VNA還允許我們將刺激信號路由到端口2，從而更容易測量輸出反射系數(shù)和DUT的S12透射系數(shù)。因此，每個(gè)VNA端口后面都有一個(gè)參考接收器和一個(gè)測量接收器。

由于很難確定高頻信號的振幅和相位角，接收器將輸入波轉(zhuǎn)換為等效的低頻信號。這些信號又被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，然后用于找到原始信號的振幅和相位信息。

有趣的是，一旦配備了這些接收器，VNA就可以與一個(gè)或多個(gè)天線組合，以創(chuàng)建雷達(dá)系統(tǒng)。通過應(yīng)用成像技術(shù)，我們可以使用這樣的雷達(dá)系統(tǒng)來檢測不可見的材料缺陷，而無需求助于X射線技術(shù)。

外差接收機(jī)體系結(jié)構(gòu)

VNA接收機(jī)通常采用外差結(jié)構(gòu)。外差一詞來源于雜（不同）和達(dá)因（混合）。這些接收器適當(dāng)?shù)鼗旌狭藘蓚€(gè)不同頻率的信號：一個(gè)來自輸入端，另一個(gè)來自本地振蕩器。

圖5顯示了外差參考和測試信道的簡化框圖。輸入波被標(biāo)記為VA和VB；本地振蕩器由LO表示。單個(gè)數(shù)字信號處理器（DSP）對來自兩個(gè)通道的信號進(jìn)行操作。

VNA參考和測試通道的簡化圖。

圖5.VNA參考和通道的簡化框圖。圖片由Steve Arar提供

在圖5中，每個(gè)高頻輸入信號：

通過帶通濾波器（BPF）。

進(jìn)入射頻混頻器。

與來自接收器的本地振蕩器（LO）的信號混合。

離開RF混頻器并通過低通濾波器（LPF）。

通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

進(jìn)入DSP。

帶通濾波器對RF混頻器執(zhí)行圖像抑制。混頻器然后將具有頻率fRF的RF輸入轉(zhuǎn)換為中頻（fIF）。該頻率由以下公式給出：

其中fLO是本地振蕩器的頻率。

RF混頻器在VNA的動(dòng)態(tài)范圍中起著關(guān)鍵作用。將非常大的信號應(yīng)用于混頻器可能會產(chǎn)生失真，而將非常小的信號與噪聲區(qū)分開來。因此，下變頻混頻器的設(shè)計(jì)通常需要在系統(tǒng)的噪聲系數(shù)和線性度之間進(jìn)行關(guān)鍵的折衷。

中頻（IF）低通濾波器表示信號鏈中的下一個(gè)塊。此濾波器用于限制信號帶寬，防止ADC中的混疊。它還將大部分接收到的噪聲排除在信號處理鏈的后續(xù)鏈路之外。

最后，ADC將信號數(shù)字化，并將其傳遞給DSP進(jìn)行進(jìn)一步處理。DSP確定參考和測試輸入信號的振幅比和相位差。然后，它使用這些信息來表征DUT的性能。為了產(chǎn)生準(zhǔn)確的測量結(jié)果，測試接收器和參考接收器必須匹配良好。

數(shù)字信號處理器

圖6顯示了DSP功能的一些附加細(xì)節(jié)。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析中使用的數(shù)字信號處理器示意圖。

圖6.矢量網(wǎng)絡(luò)分析中使用的DSP的簡化框圖。圖片由Rohde&Schwarz提供

如上圖所示，該DSP包括一個(gè)數(shù)字下變頻器（DDC），用于處理數(shù)字中頻處理。這里使用兩個(gè)數(shù)字乘法器作為正交混頻器來將IF信號下變頻為DC。如果您想了解更多關(guān)于接收器這一部分功能的信息，請參閱Rohde&Schwarz的“矢量網(wǎng)絡(luò)分析基礎(chǔ)”。

總結(jié)

在本文中，我們通過檢查VNA的信號源和接收器了解了VNA的內(nèi)部工作原理。本系列的未來文章將解釋如何校準(zhǔn)、分析和改進(jìn)VNA性能。在那之前，我希望你覺得今天的討論很有趣，內(nèi)容豐富。