相参源矢量网络分析仪在教学中的应用

马延军

(西安科技大学 通信与信息工程学院, 陕西 西安　710054)



相参源矢量网络分析仪在教学中的应用

马延军

(西安科技大学 通信与信息工程学院, 陕西 西安710054)

利用自行设计的相参源矢量网络分析仪,在高频电子线路课程中进行了实例教学。利用该仪器,对高频器件特性阻抗进行了实际测试。通过实验,学生对高频电子线路有了直观的认识。由于所设计的矢量网络分析仪成本低廉,可广泛应用到课堂教学上,极大提高了学生的学习兴趣,提高了教学效果。

高频电子线路； 传输特性； 矢量网络分析仪

矢量网络分析仪是微波与通信系统测试的关键设备,可广泛应用于4G/5G移动通信、军工、科研教育等领域[1-6]。其涉及到大量的微波器件、信号处理及校准算法,系统高度复杂且体积笨重[7-12]。其代表性产品有安捷伦公司的PNA系列产品、国内41所的系列产品等。然而,这些产品大都体积笨重或者成本高昂,很难于在工业生产及测试中大量采用。本文首先采用若干高度集成的芯片，并利用计算机作为上位机设计了一款轻小实用的矢量网络分析仪。仪器内置异频相参信号源,在频率调谐时候,两路相参合成信号源保持固定的频差,此频差作为中频信号并进一步下变频到零中频后,进行相位及幅度的检测,最终在上位机完成数据处理及显示。

在高频电子线路的教学中,首先学习的就是高频元器件的特性,纯粹的理论分析非常枯燥。因此,利用此矢量网络分析仪设计了若干实验进行课程演示。使学生对高频电子线路有了直观的认识,增加了学习兴趣。进一步有助于课堂教学效果的提高。

1　异频相参源的矢量网络分析仪

1.1矢量网络分析仪基本原理

图1是矢量网络分析仪的基本原理示意图[2],由图可见矢量网络分析仪有一个激励源及若干个接收机组成。激励源在开关的控制下分别由端口1(Port1)或者端口2(Port2)对外输出,加载到待测器件上面。激励信号通过待测器件后,再通过定向耦合器进入到a1、a2、b1、b2等接收机,信号经过中频处理后,计算得到其S参数(散射参数),包括S11, S12, S21, S22等[3]。在进行S参数计算时候,通常需要一系列的校准算法以消除系统误差[8-10]。

图1　矢量网络分析仪的基本原理示意图

1.2相参源矢量网络分析仪

基于相参源的矢量网络分析仪(见图2)实现了关键的激励源及接收机部分并通过传输测试完成系统功能的验证。相参源矢量网络分析仪其主要特点在于内置两个同相信号源及零中频接收机的设计。相参源矢量网络分析仪分为源与接收机两个主要部分。图2中上面部分为源,下面部分为接收机。参考时钟(REF)为整个系统的参考源,为整机提供相位参考，其频率记为fREF,相位为pREF。射频信号源对外输出射频激励信号,其相位与参考时钟保持一致,其频率与相位分别记为fRF和pRF。接收机射频信号源其相位也与参考时钟保持一致,用作本振信号，其相位在控制信号的控制下,可以进行90°、180°、270°等变化,其频率与相位分别记为fLO和pLO。

图2　相参源矢量网络分析仪

工作原理:

(1) 控制数字频率合成信号源fREF1=fREF2,且pREF1=pREF2；

(2) 控制合成信号源fRF=fLO,pLO=pRF；

(3) 信号经过DUT后进入混频器MIX1,与接收机射频信号(LO)混频后并滤波后得到零中频的同相分量ZIF0；

(4) 控制本振信号源使pRF-pLO=π/2,即LO相位变化π/2,得到零中频的正交分量ZIF90。同理,分别得到ZIF180及ZIF270；

(5) 零中频信号经过A/D转换后传输到上位机,上位机PC利用ZIF0、ZIF90、ZIF180和ZIF270进行传输特性的计算；

(6) 返回到(1)继续进行下一个频点的计算。

2　系统测试及其在教学中的实例

2.1系统动态范围测试

图3为系统的动态范围测试结果。可以看到在整个频段其动态范围大于100 dB。利用此设备,可以较好地完成各类测试。

图3　系统动态范围测试结果

2.2高频器件特性测试

拉杆天线是FM收音机、电视接收机常用的接收天线,图4所示为进行的拉杆天线S11测试结果,测试频率为1～200 MHz。从图中可以看到,此天线表现出明显的电容特性。

图4　拉杆天线测试结果

从匹配的角度来看,可以串联电感以抵消容抗。图5给出此拉杆天线经过串联电感后的测试结果。可以得到大概在27 MHz取得匹配。

图5　拉杆天线匹配测试图

2.3LC谐振回路特性测试

图6为LC谐振回路的导纳参数。有图可见,此回路谐振频率为16.54 MHz,其3 dB带宽为0.135 MHz,矩形系数约为10,与理论分析计算基本吻合。

图6　LC谐振回路导纳测试结果

3　结语

充分利用现有的高度集成的芯片,设计了一款矢量网络分析仪,其成本低廉且便于携带,可广泛应用到课堂教学上。进一步设计了高频器件的测试实例与LC谐振回路的分析计算。通过这些直观的展示,枯燥的理论变得生动有趣,从而激发了学生的学习兴趣。

References)

[1] Dunsmorf J P. Handbook of microwave component measurements with advanced VNA techniques [M].United Kingdom: John Wiley & Sons Ltd, 2012.

[2] Teppati V, Ferroro A, Sayed M. Modern RF and microwave measurement techniques [M]. New York: Cambridge university Press, 2013.

[3] Nelson C. High-frequency and microwave circuit design[M]. Boca Raton: CRC Press, 2007.

[4] Isaksson M, Zenteno E. A synthetic vector network analyzing measurement system [J]. IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, 2011, 60(6):2154-2161.

[5] 孙志为. 矢量网络分析仪扩频技术研究[D].成都:电子科技大学,2010.

[6] 亓国庆. 高精度矢量网络分析仪混频接收机设计技术[D].西安:西安电子科技大学,2007.

[7] 胡楚锋,许家栋,李南京,等. 基于矢量网络分析仪的目标极化散射特性测量与校准[J]. 西北工业大学学报, 2010, 28(3):349-352.

[8] 赵永久. 多端口矢量网络分析仪校准技术研究[D].南京:南京航空航天大学,2011.

[9] 王琦. 现代矢量网络分析仪的校准与测量[J]. 实验技术与管理, 2006,23(2):31-34.

[10] 赵伟, 赵永久, 袁春花,等. 一种基于10项误差模型的二端口矢量网络分析仪校准方法[J]. 电子学报,2011, 39(10):2469-2473.

[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] 尚赞玉. 矢量网络分析仪校准新算法的研究[D].西安:西安电子科技大学,2014.

Application of vector network analyzer in teaching based on different frequency sources with coherent-phase

Ma Yanjun

(College of Communication and Information Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

It is very complex and usually expensive. A low-cost portable vector network analyzer is designed and implemented, and it is used in the teaching of high-frequency circuits. Experiments are designed using this VNA, where the characters of high frequency components are tested. Through these experiments, the abstract concepts are visualized, and students have more interests on this course. It can be widely used in the teaching of high frequency circuits.

high-frequency circuit; transmission characteristic； vector network analyzer

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.027

2015- 09- 02修改日期：2015- 11- 04

陕西省教育厅自然科学研究项目(15JK1470, 15JK1463);西安科技大学培育基金(201355,2014074);西安科技大学2015年大学生创新创业训练计划项目(201510704082)

马延军(1978—)，男，山东莱芜，博士，讲师，主要研究方向为移动通信与软件无线电等.

E-mail：bj_ma@126.com

TM93;G642

B

1002-4956(2016)4- 0097- 03