矢量網絡分析儀高速掃描控制技術研究

劉敬坤，儲艷飛，馬春溪，李繼森

（中電科思儀科技股份有限公司，山東青島，266555）

0 引言

矢量網絡分析儀能夠全面表征元器件的幅度與相位特性，是射頻微波領域非常重要的測試工具。隨著通信、電子行業的技術進步，對測試測量領域的要求也不斷提升，其中測試精度與測試速度作為衡量矢量網絡分析儀的重要指標，成為產品設計與性能優化的主要研究方向，其測試速度直接決定了射頻微波部件的生產效率。高速掃描控制技術是優化與解決矢量網絡分析儀測試速度的主要方案，在實際應用中具有非常重要的意義。例如在移動基站的腔體濾波器調試過程中，調試人員要對大量的調試螺桿進行定位，每次螺桿的調節都會導致產品S參數的變化，如果矢量網絡分析儀不能快速反饋測試曲線，調試人員無法對調節效果進行準確判定，將會大大降低調試人員的效率[1]，根據經驗，低于80ms的掃描時間，我們一般就可以認為是實時反饋。

1 高速掃描控制技術設計與實現

矢量網絡分析儀的工作流程是：信號源產生的信號經過源穩幅模塊調理后輸入源開關切換模塊內，當源在端口1輸出時，產生參考信號R1、反射信號A和傳輸信號；當源在端口2輸出時，產生參考信號R2、反射信號B和傳輸信號;當源在端口3輸出時，產生參考信號R3、反射信號C和傳輸信號；當源在端口4輸出時，產生參考信號R4、反射信號D和傳輸信號。本振源進入混頻模塊，混頻模塊將雙定向耦合器產生的參考信號、反射信號、傳輸信號等微波信號轉換成固定頻率的中頻信號，本振源和信號源鎖相在同一個參考時基上，保證在頻率變換過程中，被測件的相位信息不丟失。四路參考中頻信號（R1、 R2、 R3、 R4）通過中頻開關切換模塊選擇一路進入數字中頻處理模塊，四路傳輸或反射中頻信號則共同進入數字信號處理與顯示模塊中，在此將模擬中頻變成數字信號，通過計算得到被測件的幅相信息，這些信息經各種格式變換處理后，將結果送給顯示模塊，液晶顯示模塊將被測件的幅相信息以用戶需要的格式顯示出來[2]。

矢量網絡分析儀的掃描過程非常復雜，涉及到功率、頻率的穩定、數據傳輸、自動增益判斷、數據處理、實時顯示、信號源內部頻段劃分、混頻模塊頻段選擇等多種因素[3]，本方案將對其中影響較大的部分進行全新設計，達到速度提升的目標。

圖1 4端口矢量網絡分析儀硬件原理框圖

為提高測量速度，矢量網絡分析儀在掃描過程中需盡量減少主CPU的參與，將與硬件控制相關的指令和處理流程由主CPU下放到DSP和FPGA中，提高測量實時性。

矢量網絡分析儀為了滿足不同用戶的測試需求，其最大的特點就是頻段很寬，以射頻矢量網絡分析儀為例，其掃描頻段由100kHz可以達到8.5GHz范圍，在如此寬頻段范圍內，我們需要對信號源進行濾波、混頻、倍頻、分頻等多項操作，每項操作都會劃分為一個波段，傳統矢量網絡分析儀這些操作都由主CPU來完成，但每次的主程序波段切換會花費10ms以上的時間。通過減少主程序波段劃分，將與硬件控制相關的指令和處理流程由主CPU下放到DSP和FPGA中，可以有效提高整機的測試速度。

圖2 信號源原理框圖及內部頻段劃分

其中VCO頻段切換、濾波通道選擇、電路板開關切換、源穩幅數據補償等全部由DSP與FPGA完成，這種方案大大提高了整機的測試實時性，而且DSP與相關電路板進行的數據傳輸只需要進行頻率信息及波段信息的設置，其余開關狀態、補償數據等都是由相關電路板內的FPGA完成。由于DSP的處理能力有限，這種方式對硬件電路的設計也提出了更高的要求，整個軟件波段內必須保證盡量少的進行開關切換及各種補償信息設置，而且還必須滿足整機技術指標。

經過上述設計，整機每個頻段切換的時間由10ms減少至500μs以內，主CPU無需進行控制就可以完成。穩幅環路的設計分為兩種考慮，功率平坦度采用16MHz進行分段補償，提高了功率平坦度，其實現過程同樣無需主CPU參與，DSP僅發送與信號源模塊一致的頻率信息，源穩幅模塊FPGA將補償數據立即送入DA進行穩幅實現。

為了得到真實有效的采樣數據，矢量網絡分析儀整機需要在頻率穩定時才能對信號進行采樣。我們發現，對測量速度比較敏感的用戶往往都對測試精度要求不高，使用較寬的中頻帶寬，但每次掃描的測試點數超過801個點。假設進行全二端口校準后采用1601個點進行掃描，矢量網絡分析儀的每一個掃描周期的測量點數將達到3202點，如果每點駐留時間100μs，整機測試時間最短也將會達到320ms。因此，提升矢量網絡分析儀的掃描速度，最重要的是提升每點駐留時間，其主要包括數據傳輸、頻率及幅度穩定、中頻增益控制及數據采樣時間。其中數據采集時間由中頻帶寬決定，可通過增加中頻帶寬來減少掃描時間。

本方案將數據傳輸、頻率及幅度穩定、中頻增益控制過程進行設計，其中數據傳輸及中頻增益控制的過程與頻率及幅度的穩定過程并行處理。同時通過大幅度提高頻率穩定時間來縮短每點駐留時間。

矢量網絡分析儀在掃描過程中，最主要的速度限制就來源于采樣之前等待信號的頻率與幅度穩定，而頻率的穩定時間由信號源模塊電路決定，本方案對頻率穩定時間進行了分析與仿真，進一步提高整機的測量速度[4]。圖3為VCO的調諧電路，我們通過設定鑒相頻率、環路帶寬、電荷泵電流等來進行仿真。頻率穩定時間在10μs微秒以內，大大提升了穩定時間，能夠滿足設計要求。

圖3 鑒相環路原理圖

鑒相頻率： 80MHz；環路帶寬：500k Hz；電荷泵電流：1.25m A。

圖4 環路穩定時間設計仿真圖

一般矢量網絡分析儀的掃描都是按照順序流程，進行頻率設置、等待頻率穩定、采樣幾項步驟循環工作，等待頻率穩定的時間會被浪費，本方案不僅對頻率頻率穩定時間進行優化，還重新設計了后續的工作流程。具體工作流程如下：

第一個掃描點主程序將各項信息送入DSP，DSP通過運算將頻率信息與波段信息送入每塊電路板，各相關電路板通過頻率信息與波段信息就可以自行設置狀態并在DSP發出觸發信號后開始工作，在等待各電路板狀態穩定階段，DSP將下一個掃描點的頻率與波段信息送入相關電路板內儲存起來，并在等待一定時間后進行中頻幅度檢測來判斷是否進行中頻增益開關的切換，直到頻率與功率完全穩定后進行數據采集工作，當數據采集完成后DSP立即發出觸發信號通知各電路板開始下一個頻率點的鎖相工作。可以看到，DSP與電路板的數據傳輸是在頻率鎖相開始之后進行的，這會節約DSP與電路板進行數據傳輸的時間。

圖5 高速掃描流程圖

為了提高整機的動態范圍，中頻數字處理板采用兩級增益可控，每個掃描點DSP均會檢測中頻功率來判斷是否需要切換中頻增益[5]，由于存在一定閾值，此判斷無需特別精確，如果我們保證中頻信號能夠通過中頻濾波器進行采樣，便可以由DSP進行采樣判斷，由于數據已經送入各電路板存儲，DSP可以采用觸發信號同步兩塊小數分頻板進行頻率鎖相，這樣無需等待至小數分頻板完全頻率鎖定就可以進行中頻信號的采樣判斷，等到完成中頻增益的判斷后，頻率及功率已經逐漸穩定，可以進行整機的中頻信號處理過程。

圖6 矢量網絡分析儀高速掃描效果

2 結束語

本設計通過對矢量網絡分析儀整機原理的分析，梳理出高速掃描設計需要優化的各項因素，包括功率、頻率的穩定、數據傳輸、自動增益判斷、頻率點數據轉換、各模塊波段劃分等，并對每項因素進行分析與優化設計，在50kHz中頻帶寬，測試點數801的條件下，單次掃描時間低于33ms，遠低于工位調試需要的最低反應時間，具有很高的實用價值，同時也在批量生產的產品中進行了應用，效果良好。