微波毫米波信号分析仪的发展现状

随着微波毫米波技术的快速发展，现代雷达系统和各种军民用通信网络等为了防止干扰、改善系统容量和性能而变得日益复杂。其中生成和分析信号的复杂性正以指数形式增长，频段越来越高，带宽越来越宽，调制方案越来越复杂。面对射频微波毫米波技术的不断发展，对应的测试测量设备也必须与之保持同步，才能满足不同用户的多种测试需求。

作为信息源头测试的微波毫米波信号分析仪器是射频微波领域应用最广泛的仪器之一。典型的微波信号分析仪器有频谱分析仪、矢量信号分析仪、调制域和时频分析仪等。过去，频谱分析仪可以观察到功率与频率之间的相关信息，有时还能对AM、FM和PM之类的模拟格式进行解调，对于大多数一般性应用来讲已经足够。矢量信号分析仪可分析宽带波形并从感兴趣的信号中捕获有关时间、频率和功率方面的数据。调制域和时频分析仪可以分析信号频率随时间的变化与分布等。虽然现在大多数新的分析仪在仪器中同时内置了频谱分析和矢量调制分析等多种功能，但是面对越来越复杂的测试需求，已经开始显得力不从心。例如瞬变信号测试、微弱信号测试、复杂调制信号测试和混叠信号测试等，这给现代的信号分析仪器和设备提出了新的挑战。

在射频与微波频段阻抗匹配、信号的串扰等问题，数字电路中万用表和示波器能满足大多数工程测试要求，但在射频与微波频段，这两种常用仪表却无用武之地，取而代之的是信号源、频谱分析仪、网络分析仪、噪声系数测试仪、功率计和频率计等六大类测试仪器。其中，频谱分析仪、信号源和网络分析仪复杂程度最高，技术难度最大。从测试原理上讲，六大类测试仪器中各类仪器之间是互相独立、不可替代的。随着测量仪器综合化的发展，各类测试仪器都在不断地扩展功能、提高性能指标，应用范围已开始出现交叉，各类仪器之间的界线也开始变得模糊。

矢量网络分析仪将激励源、S参数测试装置和幅相接收机有机地结合在一起，对微波传输、反射测量中的误差进行修正，实时数据处理，实现了同轴频率范围40 MHz～60 GHz、频率分辨率1Hz、幅度准确度0.1 dB、相位准确度0.5°。具有USB控制的电校准（ECal），带有为TRM/LRM校准提供的高稳定度接收器，以及提供扩展动态范围的标准直接收信机接入。波导测量系统频率上限达到178 GHz，在波导测试系统中也实现了双向S参数测量。

在突破扫频测量与误差修正等关键技术后，矢量网络分析仪（VNA）在高效、快速和多参数测量方面取得了显著进步。分体式矢网20世纪90年代趋于成熟并一直作为工业标准使用，虽然分体式VNA构成比较繁杂，但频段覆盖很宽，达到0.045～110 GHz，测量精度也很高。一体化结构的VNA集成了激励信号源、S参数测试装置和多通道高灵敏度幅相接收机，实现了高性能和超宽带分析。全新的硬件设计方案使测量速度和性能有了极大的提高，具有奔腾芯片的嵌入式计算机和Windows操作系统的引入，使互连性和自动化程度有了质的飞跃。在测量速度、测试精度、动态范围、人机界面、智能化程度、稳定性、可靠性和重复性等方面具有明显的优势。二端口VNA的指标达到：频率范围10 MHz～20/40/67/110 GHz（可扩到325 GHz）、频率分辨率1 Hz、动态范围61～122 dB、迹线噪声0.006 dB/0.1，具有频域和时域测试能力。67～110 GHz还是分体式，但已大大简化了系统结构。图1-4为AV3629型射频一体化矢网分析仪，图1-5为是德N5290A矢量网络分析仪，频率范围0～100 GHz。

图1-4　AV3629型射频一体化矢网分析仪

图1-5　是德N5290A矢量网络分析仪

频率合成信号发生器的同轴频率覆盖范围可从10 MHz到50 GHz，配合倍频器模块，波导上限频率可达110 GHz。综合采用了频率合成、小数分频API补偿、Σ-Δ调制、YIG调谐倍频、软件平坦度补偿等先进技术，并在“锁滚”式合成扫频的基础上采用了终止频率校准。分辨率为0.01 Hz，开关时间为5 ms，单边带相噪为-98 dBc/Hz（载波10 GHz、1 kHz频偏），最大输出功率为+20 dBm（20 GHz）和+14 dBm（40 GHz）。在追求高功率、大范围、低谐波的同时，综合优化了频率转换时间、调制功能和功率平坦度等技术指标。频谱分析仪解决了宽带预选器、变频组件、程控步进衰减器、采样器、YIG振荡器和YIG滤波器等宽带微波件的设计制造技术。已经实现频率范围3 Hz～60 GHz，灵敏度-153/-166 dBm，幅度准确度0.62 dB，平坦度±0.38 dB，对数线性误差+0.07 dB和1 ms的扫描时间。运用了数字中频、内置校准信号源、自动校准程序（含温度变化）、分挡PAD校准补偿等先进技术。可以测量移动通信中使用的调制信号的平均功率及总功率，还可以进行相邻信道泄漏功率测试。图1-6为AV4036频谱分析仪，图1-7为是德N9041B信号分析仪，频率范围0～110 GHz。

图1-6　AV4036频谱分析仪

图1-7　是德N9041B信号分析仪(www.xing528.com)

图1-8　是德N5191A信号源

实现毫米波、亚毫米波频段的扩展通常采用倍频方案或基波方案。目前，同轴频率覆盖达到250 kHz～67 GHz，配合倍频器模块，上限频率可扩展到110 GHz（波导口输出）。以返波管（BWO）作为主振单元实现基波输出具有明显的大功率特色。国外的BWO信号源系列已经从30 GHz覆盖到1 000 GHz。我国在理论设计、HFSS高频结构仿真和精密机械加工技术等方面都有显著的进展，已经突破2 mm器件设计制造技术、2 mm基波锁相与电平自适应技术、锁相跟踪扫频技术等关键技术。实现了110～170 GHz的2 mm波段基波频率覆盖，6 dBm大输出功率、1 Hz频率分辨率和-75 dBc/Hz（频偏10 kHz）单边带相噪。图1-8为是德N5191A信号源。

微波功率计的种类繁多，形式多样，功率探头多采用热电偶和二极管检波技术，在解决了二极管大功率非平方律检波特性的修正、宽频带内的频响补偿、检波特性随温度的稳定性修正技术难点后，测量动态范围达到90 dB，在探头和功率计补偿数据校准后，实现连续波平均功率和峰值功率的精确测量。峰值功率计可以快速分析CDMA、TDMA和GSM信号的功率，工作频率为100 kHz～40 GHz，能提供20 MHz的视频带宽，可用于3G系统的测试。具有60 dB的峰值功率测量动态范围，基于DSP处理技术和14种脉冲功率参数的自动测量。主要对雷达系统的峰值脉冲功率、脉宽和脉冲延迟，扩频设备中的猝发分析、带宽功率响应和动态范围，数字矢量调制中的基带滤波器的铃响分析和宽带功率分析，TDMA系统中的猝发功率、猝发时间分配和猝发平坦度等进行分析。由此可见，微波通信测量仪器产品的测试频率覆盖了L、S、C、Ku和Ka频段，完全适应卫星通信和数字微波通信等骨干通信网络的测试需求，实现1 Hz～50 GHz频域参数的测量与分析。以往的合成信号源作为基础测试仪器仅具有基本的调制功能，如调频、调幅和调相等功能。为跟上测试对象的发展，功能在不断地增加，要求具有复杂的数字调制形式，所以要求信号发生器必须能提供灵活的调制信号，满足第三代移动通信的测试需要。要求具有宽带I/Q调制器，能提供QPSK、FSK各种调制格式的信号，能提供TDMA、CDMA、WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA制式的测试信号。图1-9为AV2434微波脉冲频率与峰值功率计。

图1-9　AV2434微波脉冲频率与峰值功率计

为构成一个完整的设计方案，除了数字调制信号源以外，各大仪器公司均推出了相应的矢量信号分析仪。它用于对各种复杂数字调制信号进行矢量分析，能提供既数字化又直观的调制参数测量结果，对TDMA及CDMA系统中连续载波或猝发载波的测量、限带或时变功率测量、长CDMA瞬变现象的时间捕获，评估带宽范围达5～20 MHz，相邻信道泄漏功率比达70 dBc等。与传统的频谱分析仪相比，矢量信号分析仪可进行选时、选频功率测量，并且可以直接分析信号的相位特性，具有频域、相位域、时域和调制域的测量能力。设计和开发矢量信号分析仪需要突破一些关键技术，主要包括宽带矢量信号接收技术、频偏估计技术、幅度和相位均衡技术、宽带正交解调技术和数字信号处理技术。

具有代表性的是Agilent公司、R/S公司和中国电子科技集团公司第四十一研究所（简称中电41所）开发的矢量信号分析仪。Agilent89400VSA系列，频率范围DC—26.5 GHz、相噪-116 dBc/Hz、信息带宽8 MHz，为设计、开发提供灵活的解调，并以极低的相噪提供精确的测量。Agilent89600是基于PC的VSA系列，适用于宽带系统和设备分析，频率范围DC—6 GHz、相噪-99 dBc/Hz、信息带宽36 MHz。中电41所的AV5261/AV5262矢量信号分析仪系列，可以实现频率范围DC-26.5 GHz、分析带宽10 MHz，包括WCDMA等18种移动无线标准在内的通道功率、邻道泄漏功率比、已占带宽等各种常规测试，对GMSK、QPSK等多种数字调制信号进行矢量信号分析，码速可达6.4 Mchip/s，可以对所有移动无线电系统的时间特性进行精确测量。显示结果包括I/Q图、星座图、I/Q信道眼图、矢量误差及解调比特流列表等。目前，一种直接基于示波器高速时域测试技术的矢量信号分析技术已经形成产品，可以实现高达1 GHz的实时分析带宽。

（1）现代电子测试仪器蚕食了现代计算机，其更新换代速度与计算机发展保持同步。

（2）仪器成为庞大计算机网络的一个终端设备，实现从终端测量向网络测量转变。

通过测量网络的协议，对通信网络和计算机网络的运行状况进行实时监测与状态分析。利用嵌入式测试技术、计算机网络和通信网络构建分布式网络化的测试系统，实现远程测试与故障诊断。

（3）数字化速率提高、位置处理前移，实现从模拟体制到数字体制的转变。

（4）利用现代高速数字信号处理技术，实现从稳态测量到瞬态测量的转变。