矢量网络分析仪基本原理解析

现代网络分析仪大多是基于外差原理，需要提供一个本振频率fLO，该频率和接收机频率不同，被测信号被变换到中频信号fIF=|fRF-fLO|进行分析处理，同时保留被测信号的幅度和相位信息。经变频之后的中频信号通常后接以带通滤波器，用于滤除伴随有用信号一起的宽带噪声，同时该滤波器也用作模数（A/D）转换器的抗混叠滤波器。通过选择适当的本振频率fLO，可以将接收机接收到的任意频率的射频信号转换到固定的频率，这简化了后续中频处理过程。现代测试技术中，中频处理过程已经实现了数字化。如图5-7所示，为了提高选择性，数字信号处理中也包含了滤波部分。数控振荡器用于产生一定频率的正弦信号，它将中频信号混频到直流信号。

图5-7　外差接收机测量原理

两个数字乘法器用于I/Q解调，其中一个乘法器使用相移90°后的本振频率。二次混频后的信号再次经过低通滤波器抑制f≠0的频率分量，仅保留直流信号，它们分别对应复数矢量XIF的实部和虚部。

1）矢量网络分析仪的组成

根据提供的激励信号不同，矢量网络分析仪可分为连续波矢量网络分析仪、毫米波矢量网络分析仪和脉冲矢量网络分析仪；根据结构体系的不同，矢量网络分析仪可分为分体式矢量网络分析仪和一体化矢量网络分析仪；根据测试端口数量的不同，矢量网络分析仪又可分为二端口、三端口、四端口和多端口矢量网络分析仪。然而，对大多数矢量网络分析仪来说，其基本测试系统的组成是相同的，包含4个组成部分：激励信号源、S参数测试装置、多通道高灵敏度幅相接收机和校准件。图5-8是矢量网络分析仪的系统组成。

图5-8　矢量网络分析仪的系统组成

激励信号源为被测网络提供激励信号，其频率分辨率决定了系统的测量频率分辨率。现代矢量网络分析仪广泛采用合成扫频信号源，其频率分辨率在微波频段可达1 Hz，而在射频频段可达1 MHz。

S参数测试装置实现了入射波和反射波的分离，其指标决定了网络分析仪测量反射参数的范围。现代矢量网络分析仪采用了误差修正技术，可在保证高测试精度的同时，一定程度上降低了对S参数测试装置的硬件指标要求。

矢量网络分析仪的幅相接收机采用窄带锁相接收机和同步检波技术，能够同时得到被测网络的幅度和相位特性。而且在新型的矢量网络分析仪中大都采用数字滤波和数字同步检波技术，其接收机等效带宽最小达1 Hz，测量精度和动态范围都有很大的提高。

矢量网络分析仪的误差修正技术，利用软件修正弥补硬件系统性能指标的不足，大大提高了测试精度，使得采用不完善硬件系统也能进行高精度测试。它将校准件的精度通过误差修正转移到矢量网络分析仪，减小了对矢量网络分析仪硬件的技术要求，在很大程度上，校准件的性能指标和校准方法的完善程度决定了矢量网络分析仪的测量精度。

2）矢量网络分析仪的工作原理

连续波矢量网络分析仪是使用最为广泛的网络分析仪，下面我们以连续波矢量网络分析仪为例介绍它的工作原理。(www.xing528.com)

从图5-8可以看出，信号源模块产生激励信号和本振信号，且激励信号和本振信号锁相在同一个信号基准上。激励信号经S参数测试模块中的开关功分器、程控衰减器、定向耦合器施加到被测网络上，定向耦合器分离出被测网络的正向入射波信号R1、反射波信号A和传输波信号B（若开关打在相反位置，则可获取被测网络的反向入射波信号R2、反射波信号B和传输波信号A）。含有被测网络幅相特性的4路信号送入4通道混频接收机，与本振源提供的本振信号进行基波和谐波混频，得到第一中频信号，第一中频信号再经过滤波放大和二次频率变换得到第二中频信号，通过采样/保持和A/D电路转换成数字信号，送入数字信号处理器（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。

如前所述，二端口网络有4个S参数，其中S11和S21为正向S参数，S22和S12为反向S参数。在测试过程中，开关功分器是实现正向S参数与反向S参数测量自动转换的关键部件。以正向S参数为例，开关功分器中的开关位于端口1激励位置，来自信号源模块的微波信号通过开关功分器，一路信号作为激励信号通过程控步进衰减器和端口1定向耦合器的主路加到测试端口连接器，作为被测网络的入射波。被测件的反射波由端口1定向耦合器的耦合端口取出，用A表示。被测件的传输波通过被测件由端口2定向耦合器的耦合端口取出，用B表示。来自开关功分器的另一路信号作为参考信号，间接代表被测件的入射波，用R1表示。为了减少参考信号与被测网络实际入射波之间的差异，必须实现参考通道和测试通道的幅度和相位平衡，通过改变开关功分器的功分比实现幅度平衡，在参考通道中采用合适的电长度补偿措施实现相位平衡。最近几年发展表明，由于采用完善的误差修正技术，即使不采取任何硬件补偿措施也能进行高精度测试，因此在新型的矢量网络分析仪中取消了幅度和相位补偿，幅度和相位的差异作为稳定的、可表征的系统误差通过误差修正扣除。被测件的正向S参数可用式（5-8）求得：

当测量反向S参数时，开关功分器的开关位于端口2激励位置，同理可获得被测件的反向S参数：

在微波、毫米波甚至射频频段直接做两路信号的矢量运算是很困难的，几乎是不可能的。因此要通过频率变换将射频和微波信号变换成频率较低的中频信号，便于进行A/D转换，A/D转换后的数字信号由嵌入式计算机进行运算求出被测网络的S参数。频率变换的方法主要有两种：取样变频和基波/谐波混频。

图5-9　以主控计算机为核心的测试系统

A/D转换后的数字信号进入数字电路进行处理，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、图形处理器的多CPU系统，负责完成系统的测试、测量控制（包括对信号源、测试装置、输出绘图和打印、接收翻译外部控制命令并执行命令的控制）、误差修正、时域和频域转换、信号分析与处理、多窗口显示等功能。嵌入式计算机系统采用多用途分布式处理方式，大大提高了数据的运算能力和处理速度，使实时测量成为可能。矢量网络分析仪采用三总线结构，内部总线是高速数据总线，是网络分析仪内部的测量控制、系统锁相和数字信号处理的高速数据通道；系统总线用于连接和控制S参数测试装置、激励信号源和外部打印机等，以便组成以矢量网络分析仪为核心的测量系统；外部总线为GP-IB总线，是外部主控计算机控制矢量网络分析仪的数据通道，矢量网络分析仪接收并翻译外部主控计算机的控制命令，通过系统总线去控制连接到系统总线上的其他分机或外设，形成以主控计算机为指挥中心、矢量网络分析仪及其系统为受控对象的测试系统。最新的矢量网络分析仪还带有USB、LAN等总线接口。图5-9为典型的以主控计算机为核心的测试系统。

矢量网络分析仪中最常用的频率变换方法是取样变频法。取样变频是基于时域取样原理，将取样脉冲（也称为取样本振）加到取样二极管上，通过取样二极管的导通/关闭完成取样，同时将频率降低到中频频率。取样变频法的取样本振易于实现（通常取样本振频率为几十兆赫到几百兆赫），成本低，且具有较好的频率响应，缺点是变频损耗大，降低了矢量网络分析仪的动态范围。

为了保证被测网络的幅度和相位信息不丢失，取样变频和系统锁相是有机结合在一起的。系统锁相电路是矢量网络分析仪系统中的一个重要组成部分，要求锁相系统具有良好的频率跟踪特性、较宽的捕捉带宽和较短的捕捉时间等。整个锁相系统包括两个环路：预调环路和主锁相环路。预调环路是合成化高精度二阶锁相环路，其主要作用是减小锁相系统的起始频差，提高捕捉带宽。主锁相环路是三阶锁相环路，锁定时间短，稳态相位误差小，能够实现对信号源快速模拟、扫频时的相位跟踪。

矢量网络分析仪嵌入式计算机根据用户面板键盘设置的工作频率，计算电压调谐振荡器（VTO）的工作频率、取样变频的谐波次数和预调环路所需的程控信息，加法放大电路将预调环路预置VTO的调谐电压和主锁相环路提供的跟踪测量调谐电压结合在一起去控制VTO的振荡频率fVTO，从而控制了脉冲发生器输出脉冲的重复频率。取样脉冲愈窄，谱线的第一个过零点就愈远，在相当宽的频带内获得平坦的频谱曲线，谱线的间隔为fVTO，fVTO愈小，谱线就愈密。如果fVTO在一定的频率范围内连续变化，可以得到一系列间隔不等的脉冲串，其频谱随fVTO变化而变化。如果VTO的振荡频率fVTO变化了Δf则它的Ⅳ次谐波扫过NΔf的频带宽度。脉冲信号的谐波分量非常丰富，系统锁相环路控制VTO的频率和相位，使其只有某一次谐波的频率与微波频率相差一个中频频率，经取样变频之后的中频信号保持原微波信号的幅度和相位不丢失。预调环路和主锁相环路分工明确，在模拟扫频方式的起始频率、所有换带点频率和数字扫频（Stop）方式的每一频率点，预调环路首先启动控制VTO的振荡频率以满足式（5-10），其中F为微波信号频率，n为谐波次数。

预调环路控制VTO的振荡频率满足式（5-10）后，主锁相环路开始工作，加法放大电路保持预调电压，主锁相环路进一步细调VTO的振荡频率直至满足式（5-10）的要求。