了解矢量网络分析仪的内部工作

在本文中，我们将探讨VNA的信号源和接收器是如何实现其功能的。

矢量网络分析仪（VNA）可能是射频工程领域中最复杂、最通用的测试设备。通过测量正向和反向行波，VNA能够表征被测器件（DUT）的响应。图1显示了一个典型VNA的基本框图。

VNA的基本框图

图1.VNA基本框图。图片由David M.Pozar提供

VNA使用内部源来生成已知的刺激信号，然后将其施加到DUT的输入端口。部分信号从输入端口反射，而部分信号通过DUT到达输出端口。VNA通过测量每个端口的入射波和反射波的幅度和相位，以反射系数和传输系数表征DUT的性能。

要了解VNA性能的驱动因素，我们需要熟悉VNA的内部硬件。本系列之前的文章重点介绍了VNA端口中使用的定向耦合器——它们在VNA功能中的关键作用及其对测量精度的影响。在本文中，我们将把注意力转向VNA的信号生成器和接收器。

VNA源组件

对于基本的S参数测量，VNA的内部源需要产生单音正弦波。对于更高级的测量，我们可能需要多音输入或调制信号来更完整地表征DUT。为了实现不同类型的测量，内部电源的频率和功率也必须是可调节的。

VNA使用锁相环（PLL）系统，如图2中的简化框图所示，以提供所需的频率稳定性和频谱纯度。

锁相环系统的简化框图

图2:PLL的简化框图。图像由Analog Devices提供

PLL的性能在很大程度上取决于它所使用的可调谐振荡器的特性。构建RF/微波可调谐振荡器的两种常见选择是：

压控振荡器（VCO）。

钇铁石榴石（YIG）调谐振荡器（YTO）。

如您所见，图2中的振荡器是一个VCO。大多数EE至少对VCO的操作有一点熟悉，所以在我们继续讨论YIG振荡器之前，我们只简单地介绍一下它们。

VCO基于集总LC或分布式微带谐振器，并使用变容二极管来实现可调谐电容器。它们的Q值通常在几十到几百之间。由于其低Q和高调谐灵敏度，宽带VCO比YIG调谐振荡器具有更高的相位噪声。

YIG振荡器由于其低宽带相位噪声和宽调谐范围，是许多现代宽带信号发生器的核心。图3显示了Micro Lambda的一对YIG调谐振荡器。

YIG调谐振荡器来自Micro Lambda。

图3.MLOS系列YIG调谐振荡器。图片由Micro Lambda提供

YIG振荡器

钇铁石榴石是一种合成的铁磁性材料，具有独特的磁性和微波特性。YIG谐振器采用直径约500μm的小球的形式，由这种材料的单晶制成。YIG球体通常安装在陶瓷棒的尖端，如图4所示。

作为振荡器的一部分安装在陶瓷棒上的YIG球体。

图4.作为振荡器的一部分安装在陶瓷棒上的YIG球体。甚高频通信提供的图像

图4中的U形带是一个围绕YIG球的耦合线圈，将其定位在电磁铁的磁场中。球体的谐振频率是磁场强度的线性比例函数，可以通过调节流经电磁铁的直流电流来调节。使用这种类型的谐振器可以实现相对较高的Q——在10GHz的4000范围内。

YTO与VCO的优缺点

YTO具有以下有利特征：

低宽带相位噪声。

非常宽的调谐范围。

高度线性的调谐曲线。

不太有利的是，YIG振荡器表现出滞后效应，这降低了它们的调谐速度。这对需要源快速扫过频率以收集DUT的频率响应的VNA应用提出了挑战。与VCO相比，YIG振荡器也是大的、耗电的、昂贵的。

值得注意的是，一些公司已经尝试为YIG调谐振荡器创造有竞争力的替代品。本Analog Devices应用说明中描述的PLL/VCO集成电路就是一个例子。

光谱纯度与相位噪声要求

尽管源的相位噪声影响所有测量，但在某些情况下，光谱纯度要求可能会放宽——例如，在表征设备的线性响应时。这是因为VNA知道刺激信号的频率。因此，即使在存在不期望的频率分量的情况下，它也可以调谐到适当的频率并进行准确的测量。

然而，诸如互调失真和频率平移之类的非线性测量更有可能受到来自源的不想要的频率分量的影响。

VNA接收器

再参考图1中的框图，我们可以看到，DUT的输入端口（端口1）包含两个接收器，用于测量入射波和反射波。参考通道的接收器处理刺激；用于测量或测试信道的接收器测量未知反射信号。

接收器也存在于DUT的输出端口（端口2）处，以测量设备发射的信号。图1中的VNA还允许我们将刺激信号路由到端口2，从而更容易测量输出反射系数和DUT的S12透射系数。因此，每个VNA端口后面都有一个参考接收器和一个测量接收器。

由于很难确定高频信号的振幅和相位角，接收器将输入波转换为等效的低频信号。这些信号又被转换为相应的数字信号，然后用于找到原始信号的振幅和相位信息。

有趣的是，一旦配备了这些接收器，VNA就可以与一个或多个天线组合，以创建雷达系统。通过应用成像技术，我们可以使用这样的雷达系统来检测不可见的材料缺陷，而无需求助于X射线技术。

外差接收机体系结构

VNA接收机通常采用外差结构。外差一词来源于杂（不同）和达因（混合）。这些接收器适当地混合了两个不同频率的信号：一个来自输入端，另一个来自本地振荡器。

图5显示了外差参考和测试信道的简化框图。输入波被标记为VA和VB；本地振荡器由LO表示。单个数字信号处理器（DSP）对来自两个通道的信号进行操作。

VNA参考和测试通道的简化图。

图5.VNA参考和通道的简化框图。图片由Steve Arar提供

在图5中，每个高频输入信号：

通过带通滤波器（BPF）。

进入射频混频器。

与来自接收器的本地振荡器（LO）的信号混合。

离开RF混频器并通过低通滤波器（LPF）。

通过模数转换器（ADC）。

进入DSP。

带通滤波器对RF混频器执行图像抑制。混频器然后将具有频率fRF的RF输入转换为中频（fIF）。该频率由以下公式给出：

其中fLO是本地振荡器的频率。

RF混频器在VNA的动态范围中起着关键作用。将非常大的信号应用于混频器可能会产生失真，而将非常小的信号与噪声区分开来。因此，下变频混频器的设计通常需要在系统的噪声系数和线性度之间进行关键的折衷。

中频（IF）低通滤波器表示信号链中的下一个块。此滤波器用于限制信号带宽，防止ADC中的混叠。它还将大部分接收到的噪声排除在信号处理链的后续链路之外。

最后，ADC将信号数字化，并将其传递给DSP进行进一步处理。DSP确定参考和测试输入信号的振幅比和相位差。然后，它使用这些信息来表征DUT的性能。为了产生准确的测量结果，测试接收器和参考接收器必须匹配良好。

数字信号处理器

图6显示了DSP功能的一些附加细节。

矢量网络分析中使用的数字信号处理器示意图。

图6.矢量网络分析中使用的DSP的简化框图。图片由Rohde&Schwarz提供

如上图所示，该DSP包括一个数字下变频器（DDC），用于处理数字中频处理。这里使用两个数字乘法器作为正交混频器来将IF信号下变频为DC。如果您想了解更多关于接收器这一部分功能的信息，请参阅Rohde&Schwarz的“矢量网络分析基础”。

总结

在本文中，我们通过检查VNA的信号源和接收器了解了VNA的内部工作原理。本系列的未来文章将解释如何校准、分析和改进VNA性能。在那之前，我希望你觉得今天的讨论很有趣，内容丰富。