网络分析仪的基本结构简介

网络分析仪主要是由激励源、信号分离装置、各路信号的接收机和显示/处理单元组成，如图5-10所示。

1）微波矢量网络分析仪基本构成

图5-10　网络分析仪结构示意图

前面已经讲过微波元器件的设计和调试、测量，大多采用散射参数，最典型双口网络有四个散射参数，它们都是复数。而矢量网络分析仪正是直接测量这些参数的一种仪器，又能方便地转换为其他多种形式的特性参数，因此网络分析仪大大扩展了微波测量的功能并提高了工作效率。随着频率合成信号源、宽带高性能定向耦合器和下变频器的解决，使网络分析仪得到迅速发展。随着数字存储技术、计算机技术广泛应用于测试，出现了全自动的测量网络参数装置。现在，网络分析仪已成为一种多功能的测试装置，它既能测量反射参数和传输参数，也能自动转换为其他需要的参数；既能测量传统无源网络，也能测量有源网络；既能点频测量，也能扫频测量；既能手动测量，也能自动测量；既能屏幕显示，也能打印输出；还能将频域转换到时域，进行时域测量。由于网络分析仪采用点频步进式扫频测量，因而能逐点修正误差，使扫频测量精确度达到并超过手动测量的水平，达到一般标准计量设备的精确度。

矢量网络分析仪测量网络散射参数的基本思想是：根据四个S参数的定义，设计特定的信道分离单元（也称S参数测试装置）将入射波、反射波、传输波分离开，再将入射波、反射波、传输波频率由微波线性变换到固定中频，最后利用中频幅相测量方法测出入射波、反射波、传输波的幅度和相位，从而得到四个S参数。因此，矢量网络分析仪结构一般包括三个重要的部分：激励信号源、信道分离单元（S参数测试装置）和幅相接收机。如图5-11所示的是Agilent公司最为典型的8510型矢量网络分析仪的简化方块图，其内部嵌入一台主控计算机，许多必要的功能都纳入机内系统母线控制，因而本身成为一部高度智能化的仪器，只有少数情况才通过GP-IB通用接口与其他外设和仪器构成更大的自动测试系统。其信号源一般用8350型程控扫频源担任，要求较严格时可改用数字合成式扫频信号源8340代替之，以保证最高测量精确度。S参数测试装置不是采用定向耦合器，而是采用频带更宽的反射电桥和功分器代替。幅相接收机将四路信号（两路参考和两路测试）分别用四路幅相接收信道同时加以两次下变频和放大，直至变到100 kHz左右低频，才进行测量、处理和显示。

2）激励源

网络分析仪的激励源为测试系统提供激励信号，由于网络分析仪需要测量元器件的传输/反射特性与工作频率和功率的关系，因此激励源既具有频率扫描功能，又具有功率扫描功能。

传统的网络分析仪，例如Agilent公司的8757D，使用的是外部独立的激励源。激励源基于开环压控振荡器（VCO）技术，或者使用合成扫频源。开环压控振荡器产生的激励信号具有较大的相位噪声，对于窄带设备的测量，会降低测量准确度。现代高性能网络分析仪的激励源都已经采用合成扫频源，当扫频宽度设为0时，输出信号为正弦波信号。

网络分析仪在频率扫描工作状态下，可按照不同的方式进行频率变化。

（1）步进变化。频率按步进阶跃方式跳变，这种方式频率的精度高，适合测量高Q值器件的频率响应，但是测试时间较慢。

（2）连续变化。频率按固定速率方式连续变化，适合常规快速测试。

图5-11　矢量网络分析仪的简化方框图

网络分析仪控制其输出功率依靠ALC和衰减器两部分完成。ALC用于小范围功率调制和功率扫描，保证输出信号功率的稳定；但是ALC控制功率范围有限，使用衰减器完成大范围的功率调整。具体的实现方法是：网络分析仪输出信号的功率范围被分为许多量程，量程内的功率调制依靠ALC完成，量程间的功率调制依靠衰减器完成。利用外部功率计进行功率校准，进一步提高输出信号的功率准确度。

网络分析仪的输出功率范围是有限的，某些测试场合需要超出仪表输出范围的激励信号，可采用外置放大器扩展输出信号的功率范围。

3）信号分离装置

信号分离装置有两个基本功能：测量入射信号作为参考信号：将被测设备的反射信号从入射信号中分离。

测量入射信号由功分器完成。功分器是电阻器件，且是宽带器件，功分器的每个支路都有6 dB的衰减。激励源的输出信号经过功分器，一路信号作为参考信号进行测量，而另一路信号输入到被测设备，作为被测设备的入射波信号。

反射信号的分离是由定向耦合器完成的。定向耦合器是一个三端口的器件，包括输入端、输出端和耦合端。在反射测试中使用定向耦合器是利用了它的定向传输特性。

当信号由定向耦合器的输入端进入时，耦合端有耦合信号输出，此时称为正向传输。定向耦合器相当于不平均分配功率的功分器，在正向传输时，耦合器的输出信号与输入信号功率的比值定义为耦合度。

对于理想的定向耦合器，当信号由耦合器的输出端反向进入时，耦合端没有输出信号。这是因为输入功率被耦合器内部的负载和主臂终端外接负载所吸收，这就是定向耦合器的单向传输特性。

但实际测试过程中，定向耦合器反向工作时，耦合端存在泄漏信号。反向工作时耦合端的输出信号与输入信号功率的比值定义为定向耦合器的隔离度。

定向耦合器最重要的一个指标就是方向性，方向性定义为定向耦合器的反向工作隔离度与正向工作耦合度的差值。

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方向性反映了定向耦合器分离反射信号的能力，可看作反射测量的动态范围。

在反射测试中，定向耦合器对于被测设备的反射信号而言是正向连接，由于定向耦合器有限方向性的影响，耦合器的耦合端会包含泄漏的输入激励信号，该信号与反射信号进行矢量叠加，造成反射指标测试误差。定向耦合器的方向性对最终测试结果影响非常大。被测设备的匹配性能越好，定向耦合器方向性对测试结果的影响越大。

4）接收机

接收机完成了入射信号、反射信号和出射信号幅度和相位参数的测量。幅相接收机的主要作用是测量入射波、反射波、传输波的幅度和幅角，由于微波信号的矢量测量困难，通常的做法是将微波信号下变频到中频，然后测量中频信号的幅度和相位。在频率变换的过程中，需保持原微波信号的幅度和幅角。网络分析仪有两种检波方式：二极管检波方式和调谐接收机检波方式。

根据二极管检波器的特性，如果被测信号是连续波信号，二极管将连续波信号转化为DC信号；如果被测信号是调幅信号，检波得到的是包络电平。因此二极管检波方式只提取微波信号的幅度信号，丢失了微波信号的相位信息，因此只适用于标量网络分析仪。而矢量网络分析仪则使用调谐接收机检波方式。

调谐接收机将输入信号进行下变频得到中频（IF）信号，IF信号需要经过带通滤波器，接收机的中频带宽可小至10 Hz，这样可保证接收机具有极好的测试灵敏度，而且对被测设备输出信号中的杂波失真成分起到很好的抑制作用。网络分析仪的灵敏度与中频滤波器带宽的设置有直接的关系，中频带宽越窄，进入接收机的噪声越少，灵敏度相应提高，但输出信号的响应时间会变长，网络分析仪的测试速度会下降。因此中频滤波器带宽为测试基本设置参数之一，其设置值需要考虑测试精度和测试速度的要求。图5-12为幅相接收机系统框图。

图5-12　幅相接收机系统框图

网络分析仪是激励源和接收机组成的闭环测试系统，采用窄带调谐接收机的矢量网络分析仪工作时，信号源产生激励信号，接收机应在相同的频率对被测设备的响应信号进行处理，激励源和接收机工作频率的变化应该是同步的。网络分析仪依靠锁相方法完成该功能。

R通道接收机中频信号会与固定参考信号进行鉴相，鉴相误差输出用于压控改变激励源输出频率，这样当接收机本振频率扫描变化时，锁相环会控制激励源保持频率同步变化。当R信道接收机工作不正常时，网络分析仪会出现失锁现象。

在实际应用中，网络分析仪一般处于频扫状态，如何使幅相接收机中本振信号频率精确跟踪激励信号源的频率是幅相接收机要解决的首要问题。网络分析仪的解决方案是将激励信号源和接收机本振设计为一闭环测试系统，依靠锁相的方法来完成该功能。矢量网络分析仪工作时，信号源产生激励信号用于测试和输入到参考通道作为参考信号。在参考信号通道，参考信号与接收机本振信号混频后产生第一中频信号，将此中频信号与固定参考时钟信号进行鉴相，鉴相误差输出用于压控改变激励信号源输出频率，最终使幅相接收机第一中频信号频率锁定在固定的固定参考时钟。这样当接收机本振频率扫描变化时，锁相外即控制激励源保持频率同步变化。在网络分析仪中，当进行正向参数测量时，使用R1通道中频信号；当进行反向参数测量时，使用R2通道中频信号。网络分析仪在扫描过程中，接收机本振源频率首先发生变化，这会使接收机的中频信号频率发生变化，相应使鉴相器输出电压变化，该电压被用于激励信号源的频率压控，通过压控电压的改变来使激励信号频率和接收机频率保持同步。

早先的矢量网络分析仪的下变频技术一般采取取样变频技术。但随着高性能数字锁相频率合成源的广泛应用，现在的网络分析仪一般都采取直接混频的方法。像其他的雷达、通信接收机一样，下变频采取线性变频方法，以便保留微波信号的幅度和相位信息。直接混频较取样混频而言有着较小的混频噪声，因而大大扩展了网络分析仪测量的动态范围。

在中频信号中如何提取矢量信号的幅度和相位，有两种处理方法来实现，一是模拟处理法，二是数字处理法。但随着数字集成电路的迅速发展。特别是数字信号处理（DSP）技术的发展，现在的网络分析仪几乎全采用数字处理方法。数字处理方法是在A/D变换器之后用数字滤波技术来提取矢量信号的幅度和相位。数字滤波器的等效带宽可做得很小，目前矢量网络分析仪的最小带宽为10 Hz，并且能够有效提高同步检波电路的抗干扰能力，同时减小了体积和成本，这些是模拟处理方法无法比拟的。数字信号处理流程如图5-13所示，表示处理测试与参考两通道复比值数据的过程，包括校正误差、输出格式、处理算法和频时域变换等过程。

图5-13　数字信号处理流程图

现在的矢量网络分析仪是一个高度智能化测试系统，它以嵌入式计算机为核心，完成系统的自测试、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、信号分析与处理等功能。嵌入式计算机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。系统采用三总线结构，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试系统。而GP-IB总线则是外部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计算机的控制命令，通过系统总线去控制其他分机或外设，形成以外控计算机为指挥中心，矢量网络分析仪及系统为受控对象，组成以外部计算机为核心的测试系统。图5-14为PNA-X网络分析仪的完整配置。

图5-14　PNA-X网络分析仪的完整配置

PNA-X网络仪的特点，包括激励和接收机的闭环测试系统，同频和频率偏置工作模式，为被测件提供单音、双音、噪声等激励信号，激励信号时域连续和脉冲调制信号形式，激励源和接收机功率参数控制。可配置为双激励源结构，灵活的测试装置配置方式，内部包含信号开关和合路等电路，通过机械开关配置测试信号，开放的激励源和接收机接口，可通过外置放大器或衰减器扩展测试功率范围。源的技术性能：高功率输出（～+13 dBm），频谱纯度高（谐波抑制＞-55 dBc），大功率扫描范围（＞50 dB），脉冲调制能力，内置脉冲调制器和脉冲发生器，接收机技术，大动态范围，内置接收机衰减器，0.1 dB压缩点12 dBm，宽接收带宽，IFBW最大15 MHz，接收机和激励源的灵活频率关系配置。图5-15为现代VNA结构框图。

图5-15　现代VNA结构框图

5）AV3656A矢量网络分析仪整机原理

AV3656矢量网络分析仪用于测量器件和网络的反射和传输特性。整机主要包括100 kHz～3 GHz信号源、7.5 MHz～3 GHz本振源、S0参数测试模块、本振功分混频模块、数字信号处理与嵌入式计算机模块和液晶显示模块。S参数测试装置模块用于产生参考信号，分离被测件的反射信号和传输信号：当源在端口1输出时，产生参考信号R1、反射信号A和传输信号B；当源在端口2输出时，产生参考信号R2、反射信号B和传输信号A。本振功分混频模块将射频信号转换成固定频率的中频信号，本振源和信号源锁相在同一个参考时基上，保证在频率变换过程中，被测件的相位信息不丢失。在数字信号处理与嵌入式计算机模块中，将模拟中频变成数字信号，通过计算得到被测件的幅相信息，这些信息经各种格式变换处理后，将结果送给显示模块，液晶显示模块将被测件的幅相信息以用户需要的格式显示出来，图5-16为整机工作原理及硬件原理框图。

图5-16　整机工作原理及硬件原理框图