了解矢量網絡分析儀的內部工作

在本文中，我們將探討VNA的信號源和接收器是如何實現其功能的。

矢量網絡分析儀（VNA）可能是射頻工程領域中最復雜、最通用的測試設備。通過測量正向和反向行波，VNA能夠表征被測器件（DUT）的響應。圖1顯示了一個典型VNA的基本框圖。

VNA的基本框圖

圖1.VNA基本框圖。圖片由David M.Pozar提供

VNA使用內部源來生成已知的刺激信號，然后將其施加到DUT的輸入端口。部分信號從輸入端口反射，而部分信號通過DUT到達輸出端口。VNA通過測量每個端口的入射波和反射波的幅度和相位，以反射系數和傳輸系數表征DUT的性能。

要了解VNA性能的驅動因素，我們需要熟悉VNA的內部硬件。本系列之前的文章重點介紹了VNA端口中使用的定向耦合器——它們在VNA功能中的關鍵作用及其對測量精度的影響。在本文中，我們將把注意力轉向VNA的信號生成器和接收器。

VNA源組件

對于基本的S參數測量，VNA的內部源需要產生單音正弦波。對于更高級的測量，我們可能需要多音輸入或調制信號來更完整地表征DUT。為了實現不同類型的測量，內部電源的頻率和功率也必須是可調節的。

VNA使用鎖相環（PLL）系統，如圖2中的簡化框圖所示，以提供所需的頻率穩定性和頻譜純度。

鎖相環系統的簡化框圖

圖2:PLL的簡化框圖。圖像由Analog Devices提供

PLL的性能在很大程度上取決于它所使用的可調諧振蕩器的特性。構建RF/微波可調諧振蕩器的兩種常見選擇是：

壓控振蕩器（VCO）。

釔鐵石榴石（YIG）調諧振蕩器（YTO）。

如您所見，圖2中的振蕩器是一個VCO。大多數EE至少對VCO的操作有一點熟悉，所以在我們繼續討論YIG振蕩器之前，我們只簡單地介紹一下它們。

VCO基于集總LC或分布式微帶諧振器，并使用變容二極管來實現可調諧電容器。它們的Q值通常在幾十到幾百之間。由于其低Q和高調諧靈敏度，寬帶VCO比YIG調諧振蕩器具有更高的相位噪聲。

YIG振蕩器由于其低寬帶相位噪聲和寬調諧范圍，是許多現代寬帶信號發生器的核心。圖3顯示了Micro Lambda的一對YIG調諧振蕩器。

YIG調諧振蕩器來自Micro Lambda。

圖3.MLOS系列YIG調諧振蕩器。圖片由Micro Lambda提供

YIG振蕩器

釔鐵石榴石是一種合成的鐵磁性材料，具有獨特的磁性和微波特性。YIG諧振器采用直徑約500μm的小球的形式，由這種材料的單晶制成。YIG球體通常安裝在陶瓷棒的尖端，如圖4所示。

作為振蕩器的一部分安裝在陶瓷棒上的YIG球體。

圖4.作為振蕩器的一部分安裝在陶瓷棒上的YIG球體。甚高頻通信提供的圖像

圖4中的U形帶是一個圍繞YIG球的耦合線圈，將其定位在電磁鐵的磁場中。球體的諧振頻率是磁場強度的線性比例函數，可以通過調節流經電磁鐵的直流電流來調節。使用這種類型的諧振器可以實現相對較高的Q——在10GHz的4000范圍內。

YTO與VCO的優缺點

YTO具有以下有利特征：

低寬帶相位噪聲。

非常寬的調諧范圍。

高度線性的調諧曲線。

不太有利的是，YIG振蕩器表現出滯后效應，這降低了它們的調諧速度。這對需要源快速掃過頻率以收集DUT的頻率響應的VNA應用提出了挑戰。與VCO相比，YIG振蕩器也是大的、耗電的、昂貴的。

值得注意的是，一些公司已經嘗試為YIG調諧振蕩器創造有競爭力的替代品。本Analog Devices應用說明中描述的PLL/VCO集成電路就是一個例子。

光譜純度與相位噪聲要求

盡管源的相位噪聲影響所有測量，但在某些情況下，光譜純度要求可能會放寬——例如，在表征設備的線性響應時。這是因為VNA知道刺激信號的頻率。因此，即使在存在不期望的頻率分量的情況下，它也可以調諧到適當的頻率并進行準確的測量。

然而，諸如互調失真和頻率平移之類的非線性測量更有可能受到來自源的不想要的頻率分量的影響。

VNA接收器

再參考圖1中的框圖，我們可以看到，DUT的輸入端口（端口1）包含兩個接收器，用于測量入射波和反射波。參考通道的接收器處理刺激；用于測量或測試信道的接收器測量未知反射信號。

接收器也存在于DUT的輸出端口（端口2）處，以測量設備發射的信號。圖1中的VNA還允許我們將刺激信號路由到端口2，從而更容易測量輸出反射系數和DUT的S12透射系數。因此，每個VNA端口后面都有一個參考接收器和一個測量接收器。

由于很難確定高頻信號的振幅和相位角，接收器將輸入波轉換為等效的低頻信號。這些信號又被轉換為相應的數字信號，然后用于找到原始信號的振幅和相位信息。

有趣的是，一旦配備了這些接收器，VNA就可以與一個或多個天線組合，以創建雷達系統。通過應用成像技術，我們可以使用這樣的雷達系統來檢測不可見的材料缺陷，而無需求助于X射線技術。

外差接收機體系結構

VNA接收機通常采用外差結構。外差一詞來源于雜（不同）和達因（混合）。這些接收器適當地混合了兩個不同頻率的信號：一個來自輸入端，另一個來自本地振蕩器。

圖5顯示了外差參考和測試信道的簡化框圖。輸入波被標記為VA和VB；本地振蕩器由LO表示。單個數字信號處理器（DSP）對來自兩個通道的信號進行操作。

VNA參考和測試通道的簡化圖。

圖5.VNA參考和通道的簡化框圖。圖片由Steve Arar提供

在圖5中，每個高頻輸入信號：

通過帶通濾波器（BPF）。

進入射頻混頻器。

與來自接收器的本地振蕩器（LO）的信號混合。

離開RF混頻器并通過低通濾波器（LPF）。

通過模數轉換器（ADC）。

進入DSP。

帶通濾波器對RF混頻器執行圖像抑制?；祛l器然后將具有頻率fRF的RF輸入轉換為中頻（fIF）。該頻率由以下公式給出：

其中fLO是本地振蕩器的頻率。

RF混頻器在VNA的動態范圍中起著關鍵作用。將非常大的信號應用于混頻器可能會產生失真，而將非常小的信號與噪聲區分開來。因此，下變頻混頻器的設計通常需要在系統的噪聲系數和線性度之間進行關鍵的折衷。

中頻（IF）低通濾波器表示信號鏈中的下一個塊。此濾波器用于限制信號帶寬，防止ADC中的混疊。它還將大部分接收到的噪聲排除在信號處理鏈的后續鏈路之外。

最后，ADC將信號數字化，并將其傳遞給DSP進行進一步處理。DSP確定參考和測試輸入信號的振幅比和相位差。然后，它使用這些信息來表征DUT的性能。為了產生準確的測量結果，測試接收器和參考接收器必須匹配良好。

數字信號處理器

圖6顯示了DSP功能的一些附加細節。

矢量網絡分析中使用的數字信號處理器示意圖。

圖6.矢量網絡分析中使用的DSP的簡化框圖。圖片由Rohde&Schwarz提供

如上圖所示，該DSP包括一個數字下變頻器（DDC），用于處理數字中頻處理。這里使用兩個數字乘法器作為正交混頻器來將IF信號下變頻為DC。如果您想了解更多關于接收器這一部分功能的信息，請參閱Rohde&Schwarz的“矢量網絡分析基礎”。

總結

在本文中，我們通過檢查VNA的信號源和接收器了解了VNA的內部工作原理。本系列的未來文章將解釋如何校準、分析和改進VNA性能。在那之前，我希望你覺得今天的討論很有趣，內容豐富。