一種異頻相參源的矢量網絡分析儀

馬延軍

一種異頻相參源的矢量網絡分析儀

馬延軍

（西安科技大學通信與信息工程學院，陜西西安710054）

矢量網絡分析儀系統高度復雜且價格昂貴，從而難于廣泛普及。設計了一款輕小實用的矢量網絡分析儀，采用了異頻相關源技術，使整個系統達到了相位同步，在上位機完成數據處理及顯示。樣機測試結果表明，此矢量網絡分析儀極限工作頻段達到12 GHz，動態范圍最高約為100 dB，在8 GHz頻段，動態范圍約為70 dB。在4 GHz測試表明，幅度精度標準差優于0.05 dB，相位精度標準差優于0.1°。

傳輸特性；相參；測試分析儀；矢量網絡分析儀；相位；幅度

引用格式：馬延軍.一種異頻相參源的矢量網絡分析儀［J］.無線電工程，2016，46（5）：53-55.

0 引言

矢量網絡分析儀是微波與通信系統測試的關鍵設備，可廣泛應用于4G/5G移動通信、軍工和科研教育等領域［1］，涉及到大量的微波器件、信號處理及校準算法，系統高度復雜且體積笨重［2］，代表性產品有安捷倫公司的PNA系列產品和41所的系列產品等。然而，這些產品大都體積笨重或者成本高昂，很難于在工業生產及測試中大量采用。本文采用了AD9851/AD4351等若干高度集成的芯片并利用計算機作為上位機設計了一款輕小實用的矢量網絡分析儀。利用2片ADF4351生成內置異頻相參信號源，一路信號源作為激勵對外輸出，另外一路用于接收機。在頻率調諧時候，兩路相參合成信號源保持固定的頻差，此頻差作為中頻信號并進一步下變頻到零中頻后，進行相位及幅度的檢測，最終在上位機完成數據處理及顯示。樣機測試結果表明，此系統測量頻段寬，動態范圍大且精度良好，可廣泛應用到科研與工業生產當中。

1 工作原理

1.1 矢量網絡分析儀基本原理

是矢量網絡分析儀的基本原理示意如圖1所示［3］。由圖1可知，矢量網絡分析儀有一個激勵源及若干個接收機組成。激勵源在開關的控制下分別由端口1（Port1）或者端口2（Port2）對外輸出，加載到待測器件上面。激勵信號通過待測器件前后，通過定向耦合器進入到a1、a2、b1和b2等接收機，信號經過中頻處理后，計算得到其S參數，包括S11、S12、S21和S22等［4］。在進行S參數計算時候，通常需要一系列的校準算法以消除系統誤差［5］。

圖1　矢量網絡分析儀的基本原理

1.2 異頻相參源矢量網絡分析儀

基于異頻相參源的矢量網絡分析儀實現了關鍵的激勵源及接收機部分并通過傳輸測試完成系統功能的驗證［6］。在此基礎之上，可以進一步引入定向耦合器等模塊完成完整的S參數測量。

基于異頻相參源的矢量網絡分析儀其主要特點在于內置2個異頻同相信號源及零中頻接收機的設計［7］。具體如圖2所示，分為源與接收機2個主要部分。

圖2 異頻相參源矢量網絡分析儀

圖2中，上面部分為源，下面部分為接收機。REF為整個系統的參考源，為整機提供相位參考。其頻率記為fREF，相位為pREF。REF1與REF2為數字頻率合成器，REF1為合成激勵源及接收機同時提供相位參考，REF2為零中頻提供相位參考同時完成3階交調抑制與提取等處理。REF1與REF2的頻率分別為fREF1和 fREF2，其相位分別為pREF1和pREF2。對外輸出的激勵源（Source）為合成信號源，其頻率與相位分別為fRF和pRF。本振信號（LO）也是合成信號源，其頻率與相位分別為fLO和pLO。

系統分為基波與諧波2種工作模式，基波覆蓋頻率范圍為35～4 400 MHz，諧波覆蓋范圍為4.4～12 GHz，這里采用了3次諧波。諧波工作模式可通過在激勵源輸出添加濾波器及放大器等模塊進一步擴展動態范圍及能夠對有源器件進行測試［8］。

基波工作過程如下［9］：

①控制數字頻率合成信號源fREF1=fREF2=fIF，且pREF1=pREF2；

②控制合成信號源fRF-fLO=fIF，即使Source與LO保持固定的頻偏且相位是與REF保持同步的；

③信號經過DUT后進入混頻器MIX1，與LO混頻后從濾波器Filter1中取出中頻分量，Filter1的中心頻點取為fIF；

④中頻信號經過Filter1后進入MIX2，與REF2混頻并濾波后得到零中頻的同相分量ZIF0；

⑤ 控制合成信號源使 pREF2-pREF1=π/2，即REF2相對于REF1相位變化π/2，得到零中頻的正交分量ZIF90。同理，分別得到ZIF180及ZIF270；

⑥零中頻信號經過A/D轉換后傳輸到上位機，上位機PC利用ZIF0、ZIF90、ZIF180和ZIF270進行傳輸特性的計算；

⑦返回到①繼續進行下一個頻點的計算。

諧波工作過程如下：

①控制數字頻率合成信號源fREF1=fREF2=fIF，且pREF1=pREF2；

②控制合成信號源fRF-fLO=fIF/3，讓Source與LO保持固定的頻偏且相位是與REF保持同步的；

③信號經過DUT后進入混頻器MIX1，與LO混頻后從濾波器Filter1中取出中頻分量，Filter1的中心頻點取為fIF；

④中頻信號經過Filter1后進入MIX2，與REF2混頻并濾波后得到零中頻的同相分量ZIF0；

⑤ 控制合成信號源使 pREF2-pREF1=π/2，即REF2相對于REF1相位變化π/2，得到零中頻的正交分量ZIF90。同理，分別得到ZIF180及ZIF270；

⑥零中頻信號經過A/D轉換后傳輸到上位機，上位機PC利用ZIF0、ZIF90、ZIF180和ZIF270進行傳輸特性的計算；

⑦返回到①繼續進行下一個頻點的計算。

2 系統測試

2.1 系統動態范圍測試

系統的動態范圍測試圖如圖3所示。

圖3　系統動態范圍測試

由圖3可以看到，在4 GHz一下頻段其動態范圍大于100 dB，在8 GHz頻段一下其動態范圍大約70 dB。系統的最大工作頻段可以達到12 GHz。動態范圍大于70 dB就具有了較大的實用價值［10］。

2.2 濾波器測試實例

濾波器的傳輸特性測試如圖4所示，此濾波器中心頻點約為2.95 GHz，帶寬約為50 MHz。在此測試中，采用了相對較為簡單的頻率響應校準［11］。由圖4可見，濾波器的插入損耗大約為2 dB且在通帶內具有線性相位，正確地反映了濾波器的特性。

圖4　濾波器測試

2.3 系統精度測試

充分預熱待溫度穩定后，測試4 GHz頻點，中頻分辨率帶寬取50 Hz，在沒有校準下，直接測試50 dB衰減器精度情況，精度測試情況如圖5所示。

圖5　系統精度測試

由圖5可見，幅度精度標準差優于0.05 dB，相位精度標準差優于 0.1°，校準后的穩定性基本不變［12］。

3 結束語

充分利用現有的高度集成的芯片，設計了一款矢量網絡分析儀并實現了傳輸測試功能，進一步可實現S參數測量，同時其精度還可進一步提高，如采用更高質量的電路板以改善溫度效應帶來的誤差，通過更換頻率合成器芯片可進一步提高頻率范圍到18 GHz以上，擴大其應用范圍。

［1］ DUNSMORE J P.Handbook of Microwave Component MeasurementswithAdvancedVNATechniques［M］. United Kingdom：John Wiley&Sons Ltd，2012.

［2］ 胡楚鋒，許家棟，李南京，等.基于矢量網絡分析儀的目標極化散射特性測量與校準［J］.西北工業大學學報，2010，28（3）：349-352.

［3］ TEPPATI V，FERRORO A，SAYED M.Modern RF and Microwave MeasurementTechniques［M］.NewYork：Cambridge University Press，2013.

［4］ NELSON C.High-frequency and Microwave Circuit Design ［M］.Boca Raton：CRC Press，2007.

［5］ 趙永久.多端口矢量網絡分析儀校準技術研究［D］.南京：南京航空航天大學，2011.

［6］ 孫志為.矢量網絡分析儀擴頻技術研究［D］.西安：電子科技大學，2010.

［7］ ISAKSSON M，ZENTENO E.A Synthetic Vector Network Analyzing Measurement System［J］.IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement，2011，60（6）：2 154-2 161.

［8］ 元國慶.高精度矢量網絡分析儀混頻接收機設計技術［D］.西安：電子科技大學，2007.

［9］ 王 琦.現代矢量網絡分析儀的校準與測量［J］.實驗技術與管理，2006，23（2）：31-34.

［10］趙 偉，趙永久，袁春花，等.一種基于10項誤差模型的二端口矢量網絡分析儀校準方法［J］.電子學報，2011，39（10）：2 469-2 473.

［11］LEWANDOWSKI A，WIATR W，BARMUTA P.Offset-short Vector-network-analyzer Calibration with Simultaneous Modeling of Calibration Standards［C］∥Microwave Measurement Conference（ARFTG），2014 84th ARFTG，2014：1-4.

［12］尚贊玉.矢量網絡分析儀校準新算法的研究［D］.西安：電子科技大學，2014.

Vector Network Analyzer Based on Different Frequency Sources with Coherent-Phase

MA Yan-jun
（College of Communication and Information Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an Shaanxi 710054，China）

Vector network analyzer is a fundamental tool in the development of microwave devices and communication systems.It is very complex and usually expensive.A low-cost portable vector network analyzer is designed and implemented in this paper，where two frequency sources with coherent-phase are implemented.The signal processing is completed in the computer.The test results show that a frequency band up to 12 GHz can be tested；the dynamic range is about 100 dB below 4 GHz and about 70 dB at 8 GHz.At 4 GHz，the deviation of the amplitude is about 0.05 dB，while the deviation of the phase is about 0.1 degree.

transmission characteristics；phase-coherence；test-analyzer；vector network analyzer；phase；amplitude；

TN911；G642

A

1003-3106（2016）05-0053-03

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.14

2016-01-07

陜西省教育廳自然科學研究項目（15JK1470，15JK1463）；西安科技大學培育基金資金項目（201355，2014074）；西安科技大學2015年大學生創新創業訓練計劃項目（201510704082）。

馬延軍 男，（1978—），博士，講師。主要研究方向：移動通信與軟件無線電等。