矢量网络分析仪的应用及优化

1.矢量网络分析仪的组成

矢量网络分析仪可同时测量网络的幅度、相位和时延特性。早期的矢量网络分析仪采用分体式结构（也称积木式结构），根据测量频段、测试功能等方面的不同要求，选择不同的主机、信号源、S参数测试装置、校准件以及其他的控制机构，如搭积木一样搭建不同的矢量网络分析系统。分体式矢量网络分析仪的优点是配置灵活，但由于体积庞大、连接复杂，对操作者的技术要求高。新型矢量网络分析仪采用一体化结构，将激励信号源、S参数测试装置和高灵敏度幅相接收机集成在一个机箱内，通过外配校准件完成S参数的测试。

图12-20所示是一种外差式矢量网络分析仪组成框图。图中PFD为相频检波器（Phase Frequency Detector），H（s）为环形滤波器（Loop filter），BPF为带通滤波器（Band Pass Filter）。图的左下方构成一个混频式锁相环，LO（本振）为压控振荡器。参考信号源输出频率f_R是一个固定的中频，当环路锁定时，f_LO-f_S=f_R。本振输出频率f_LO=f_S+f_R，其中f_S为扫频源频率。参考信号即入射波，通过R通道进行测量；传输波、反射波所在的测试通道分别为A、B；扫频源一方面为DUT提供激励，一方面可以作为单独的扫频源从通道S输出。

图12-20 外差式矢量网络分析仪组成框图

要在毫米波段、微波段甚至即使在射频段直接进行信号的量化和矢量运算是非常困难的，或者几乎是不可能的。因此，图12-20所描述的VNA的基本结构实质上与外差式接收机非常类似：首先通过混频器M₁、M₂、M₃进行频率变换，将扫频源输出的射频和微波信号频率f_S下变频到中频f_R，且信道A、B、R的信号频率均为中频f_R。再对中频信号进行采样和量化，之后对数字信号进行各种运算，最终求得被测网络的S参数并显示。

矢量网络分析仪的数字电路以嵌入式计算机系统为核心，是一个包括数字信号处理器（DSP）、图形处理器（Graphic Signal Processor，GSP）、系统控制器等单元在内的多处理器系统，负责完成系统的测量控制、误差校准和修正、时-频域转换、信号分析与处理、多窗口显示等功能。仪器通常采用多总线结构，内总线通常为高速数据总线，是仪器内部各种测量控制信号和数字数据的高速数据通道；外总线多为GPIB（General Purpose InterfaceBus）、LXI（LAN eXtensions for Instrumentation）等仪用总线，现在的VNA还带有USB（Universal Serial Bus）、LAN（Local Area Network）等通用总线接口。通过这些总线，VNA能够方便地和其他外部仪器设备构成一个自动测试系统，完成更复杂的测试任务。

2.S参数测量原理

VNA的基本构成框图如图12-21所示，它包含一个内置的扫频激励信号发生器（合成信号源），一个可测量入射、反射和传输信号的多通道幅相接收机，以及信号分离装置等。

（1）各部分功能分析

1）信号源：向被测件DUT提供激励输入，同时也作为参考信号。由于VNA需要测试DUT的传输/反射特性以及工作频率和功率的关系，要求内置信号源需具备频率扫描和功率扫描功能，所以，现在的VNA内部几乎都采用合成信号源。

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图12-21 VNA的基本构成框图

2）信号分离装置（也称S参数测试装置）：包含开关、功分器和定向耦合器，作用是将入射波、反射波和传输波信号分离开，这是实现网络参数测量的基础。在测量反射参数（单端口测量）时，激励信号加在DUT端口上，测量反射回来的信号幅度和相位；传输参数测量是双端口测量，激励信号被加到DUT的一个端口，通过对另一个端口的测量，可获得输出信号的幅度和相位。整个测量过程都需要对不同信号进行分离。

3）多通道幅相接收机：主要作用是测量入射波、反射波和传输波的幅度和相位。由于微波、射频段的矢量信号难以直接测量，通常采用与频谱仪中射频前端相同的做法，将微波、射频信号通过多级混频下变频到中频。在VNA中完成这一任务的是调谐接收机，它可以提供较好的测量灵敏度和动态范围，同时能抑制谐波和寄生信号。变频之后的中频信号通过采样/保持和A-D电路转换成数字信号，送入DSP进行数字信号处理，提取被测网络的幅度信息和相位信息，通过比值运算求出被测网络的S参数。

（2）S参数测量原理分析

VNA测量S参数的基本思想是：根据4个S参数的定义，设计特定的信号分离单元将入射波、反射波、传输波分开，在中频上用幅相接收机测量获得入射波、反射波、传输波的幅度和相位，再通过计算得到4个S参数。在上述过程中，信号分离装置是实现S参数测量自动转换的关键部件，如图12-22所示。

图12-22 VNA内部的信号分离装置原理框图

在双端口网络的4个S参数中，S₁₁、S₂₁为正向参数，S₂₂、S₁₂为反向参数。激励信号经开关功分器分成4路，其中两路作为参考信号，分别代表正向入射波信号R₁和反向入射波信号R₂。另两路经过程控衰减器、定向耦合器施加到被测件DUT上，由定向耦合器分离出DUT的反射波信号A和传输波信号B。若要获取正向S参数，开关功分器中的开关必须位于端口1的激励位置，此时，功分后的1路激励信号通过程控衰减器和端口1定向耦合器的直通路加到测试端口1上，作为DUT的入射波，DUT的反射波A由端口1定向耦合器的耦合端取出；DUT的传输波B则通过DUT，由端口2定向耦合器的耦合端取出。由此，DUT的正向S参数可通过下式求得：S₁₁=A/R₁，S₂₁=B/R₁。

同理，测量反向S参数时，开关功分器的开关位于端口2激励位置，可获得DUT的反向S参数：S₂₂=B/R₂，S₁₂=A/R₂。

借助现代数字信号处理理论和算法，幅相接收机后端通道中的多路复数比值运算以及时-频域变换、参数换算、误差修正、显示等大量数据分析处理功能可通过嵌入式计算机方便地实现。图12-23给出了数字信号处理流程。

为了减少参考信号与DUT实际入射波之间的差异，必须实现参考通道和测试通道幅度和相位平衡，通过改变开关功分器的功分比实现幅度平衡，在参考通道中通过采用合适的电长度补偿措施以实现相位平衡。