一种异频相参源的矢量网络分析仪

马延军

一种异频相参源的矢量网络分析仪

马延军

（西安科技大学通信与信息工程学院，陕西西安710054）

矢量网络分析仪系统高度复杂且价格昂贵，从而难于广泛普及。设计了一款轻小实用的矢量网络分析仪，采用了异频相关源技术，使整个系统达到了相位同步，在上位机完成数据处理及显示。样机测试结果表明，此矢量网络分析仪极限工作频段达到12 GHz，动态范围最高约为100 dB，在8 GHz频段，动态范围约为70 dB。在4 GHz测试表明，幅度精度标准差优于0.05 dB，相位精度标准差优于0.1°。

传输特性；相参；测试分析仪；矢量网络分析仪；相位；幅度

引用格式：马延军.一种异频相参源的矢量网络分析仪［J］.无线电工程，2016，46（5）：53-55.

0 引言

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、军工和科研教育等领域［1］，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［2］，代表性产品有安捷伦公司的PNA系列产品和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。本文采用了AD9851/AD4351等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。利用2片ADF4351生成内置异频相参信号源，一路信号源作为激励对外输出，另外一路用于接收机。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。样机测试结果表明，此系统测量频段宽，动态范围大且精度良好，可广泛应用到科研与工业生产当中。

1 工作原理

1.1 矢量网络分析仪基本原理

是矢量网络分析仪的基本原理示意如图1所示［3］。由图1可知，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前后，通过定向耦合器进入到a1、a2、b1和b2等接收机，信号经过中频处理后，计算得到其S参数，包括S11、S12、S21和S22等［4］。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［5］。

图1　矢量网络分析仪的基本原理

1.2 异频相参源矢量网络分析仪

基于异频相参源的矢量网络分析仪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［6］。在此基础之上，可以进一步引入定向耦合器等模块完成完整的S参数测量。

基于异频相参源的矢量网络分析仪其主要特点在于内置2个异频同相信号源及零中频接收机的设计［7］。具体如图2所示，分为源与接收机2个主要部分。

图2 异频相参源矢量网络分析仪

图2中，上面部分为源，下面部分为接收机。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。REF1与REF2为数字频率合成器，REF1为合成激励源及接收机同时提供相位参考，REF2为零中频提供相位参考同时完成3阶交调抑制与提取等处理。REF1与REF2的频率分别为fREF1和 fREF2，其相位分别为pREF1和pREF2。对外输出的激励源（Source）为合成信号源，其频率与相位分别为fRF和pRF。本振信号（LO）也是合成信号源，其频率与相位分别为fLO和pLO。

系统分为基波与谐波2种工作模式，基波覆盖频率范围为35～4 400 MHz，谐波覆盖范围为4.4～12 GHz，这里采用了3次谐波。谐波工作模式可通过在激励源输出添加滤波器及放大器等模块进一步扩展动态范围及能够对有源器件进行测试［8］。

基波工作过程如下［9］：

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

②控制合成信号源fRF-fLO=fIF，即使Source与LO保持固定的频偏且相位是与REF保持同步的；

③信号经过DUT后进入混频器MIX1，与LO混频后从滤波器Filter1中取出中频分量，Filter1的中心频点取为fIF；

④中频信号经过Filter1后进入MIX2，与REF2混频并滤波后得到零中频的同相分量ZIF0；

⑤ 控制合成信号源使 pREF2-pREF1=π/2，即REF2相对于REF1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；

⑥零中频信号经过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；

⑦返回到①继续进行下一个频点的计算。

谐波工作过程如下：

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

②控制合成信号源fRF-fLO=fIF/3，让Source与LO保持固定的频偏且相位是与REF保持同步的；

③信号经过DUT后进入混频器MIX1，与LO混频后从滤波器Filter1中取出中频分量，Filter1的中心频点取为fIF；

④中频信号经过Filter1后进入MIX2，与REF2混频并滤波后得到零中频的同相分量ZIF0；

⑤ 控制合成信号源使 pREF2-pREF1=π/2，即REF2相对于REF1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；

⑥零中频信号经过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；

⑦返回到①继续进行下一个频点的计算。

2 系统测试

2.1 系统动态范围测试

系统的动态范围测试图如图3所示。

图3　系统动态范围测试

由图3可以看到，在4 GHz一下频段其动态范围大于100 dB，在8 GHz频段一下其动态范围大约70 dB。系统的最大工作频段可以达到12 GHz。动态范围大于70 dB就具有了较大的实用价值［10］。

2.2 滤波器测试实例

滤波器的传输特性测试如图4所示，此滤波器中心频点约为2.95 GHz，带宽约为50 MHz。在此测试中，采用了相对较为简单的频率响应校准［11］。由图4可见，滤波器的插入损耗大约为2 dB且在通带内具有线性相位，正确地反映了滤波器的特性。

图4　滤波器测试

2.3 系统精度测试

充分预热待温度稳定后，测试4 GHz频点，中频分辨率带宽取50 Hz，在没有校准下，直接测试50 dB衰减器精度情况，精度测试情况如图5所示。

图5　系统精度测试

由图5可见，幅度精度标准差优于0.05 dB，相位精度标准差优于 0.1°，校准后的稳定性基本不变［12］。

3 结束语

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并实现了传输测试功能，进一步可实现S参数测量，同时其精度还可进一步提高，如采用更高质量的电路板以改善温度效应带来的误差，通过更换频率合成器芯片可进一步提高频率范围到18 GHz以上，扩大其应用范围。

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

［2］ 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.

［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］ 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.

［6］ 孙志为.矢量网络分析仪扩频技术研究［D］.西安：电子科技大学，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］ 元国庆.高精度矢量网络分析仪混频接收机设计技术［D］.西安：电子科技大学，2007.

［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）：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］尚赞玉.矢量网络分析仪校准新算法的研究［D］.西安：电子科技大学，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

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资金项目（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 男，（1978—），博士，讲师。主要研究方向：移动通信与软件无线电等。