矢量网络分析仪高速扫描控制技术研究

刘敬坤，储艳飞，马春溪，李继森

（中电科思仪科技股份有限公司，山东青岛，266555）

0 引言

矢量网络分析仪能够全面表征元器件的幅度与相位特性，是射频微波领域非常重要的测试工具。随着通信、电子行业的技术进步，对测试测量领域的要求也不断提升，其中测试精度与测试速度作为衡量矢量网络分析仪的重要指标，成为产品设计与性能优化的主要研究方向，其测试速度直接决定了射频微波部件的生产效率。高速扫描控制技术是优化与解决矢量网络分析仪测试速度的主要方案，在实际应用中具有非常重要的意义。例如在移动基站的腔体滤波器调试过程中，调试人员要对大量的调试螺杆进行定位，每次螺杆的调节都会导致产品S参数的变化，如果矢量网络分析仪不能快速反馈测试曲线，调试人员无法对调节效果进行准确判定，将会大大降低调试人员的效率[1]，根据经验，低于80ms的扫描时间，我们一般就可以认为是实时反馈。

1 高速扫描控制技术设计与实现

矢量网络分析仪的工作流程是：信号源产生的信号经过源稳幅模块调理后输入源开关切换模块内，当源在端口1输出时，产生参考信号R1、反射信号A和传输信号；当源在端口2输出时，产生参考信号R2、反射信号B和传输信号;当源在端口3输出时，产生参考信号R3、反射信号C和传输信号；当源在端口4输出时，产生参考信号R4、反射信号D和传输信号。本振源进入混频模块，混频模块将双定向耦合器产生的参考信号、反射信号、传输信号等微波信号转换成固定频率的中频信号，本振源和信号源锁相在同一个参考时基上，保证在频率变换过程中，被测件的相位信息不丢失。四路参考中频信号（R1、 R2、 R3、 R4）通过中频开关切换模块选择一路进入数字中频处理模块，四路传输或反射中频信号则共同进入数字信号处理与显示模块中，在此将模拟中频变成数字信号，通过计算得到被测件的幅相信息，这些信息经各种格式变换处理后，将结果送给显示模块，液晶显示模块将被测件的幅相信息以用户需要的格式显示出来[2]。

矢量网络分析仪的扫描过程非常复杂，涉及到功率、频率的稳定、数据传输、自动增益判断、数据处理、实时显示、信号源内部频段划分、混频模块频段选择等多种因素[3]，本方案将对其中影响较大的部分进行全新设计，达到速度提升的目标。

图1 4端口矢量网络分析仪硬件原理框图

为提高测量速度，矢量网络分析仪在扫描过程中需尽量减少主CPU的参与，将与硬件控制相关的指令和处理流程由主CPU下放到DSP和FPGA中，提高测量实时性。

矢量网络分析仪为了满足不同用户的测试需求，其最大的特点就是频段很宽，以射频矢量网络分析仪为例，其扫描频段由100kHz可以达到8.5GHz范围，在如此宽频段范围内，我们需要对信号源进行滤波、混频、倍频、分频等多项操作，每项操作都会划分为一个波段，传统矢量网络分析仪这些操作都由主CPU来完成，但每次的主程序波段切换会花费10ms以上的时间。通过减少主程序波段划分，将与硬件控制相关的指令和处理流程由主CPU下放到DSP和FPGA中，可以有效提高整机的测试速度。

图2 信号源原理框图及内部频段划分

其中VCO频段切换、滤波通道选择、电路板开关切换、源稳幅数据补偿等全部由DSP与FPGA完成，这种方案大大提高了整机的测试实时性，而且DSP与相关电路板进行的数据传输只需要进行频率信息及波段信息的设置，其余开关状态、补偿数据等都是由相关电路板内的FPGA完成。由于DSP的处理能力有限，这种方式对硬件电路的设计也提出了更高的要求，整个软件波段内必须保证尽量少的进行开关切换及各种补偿信息设置，而且还必须满足整机技术指标。

经过上述设计，整机每个频段切换的时间由10ms减少至500μs以内，主CPU无需进行控制就可以完成。稳幅环路的设计分为两种考虑，功率平坦度采用16MHz进行分段补偿，提高了功率平坦度，其实现过程同样无需主CPU参与，DSP仅发送与信号源模块一致的频率信息，源稳幅模块FPGA将补偿数据立即送入DA进行稳幅实现。

为了得到真实有效的采样数据，矢量网络分析仪整机需要在频率稳定时才能对信号进行采样。我们发现，对测量速度比较敏感的用户往往都对测试精度要求不高，使用较宽的中频带宽，但每次扫描的测试点数超过801个点。假设进行全二端口校准后采用1601个点进行扫描，矢量网络分析仪的每一个扫描周期的测量点数将达到3202点，如果每点驻留时间100μs，整机测试时间最短也将会达到320ms。因此，提升矢量网络分析仪的扫描速度，最重要的是提升每点驻留时间，其主要包括数据传输、频率及幅度稳定、中频增益控制及数据采样时间。其中数据采集时间由中频带宽决定，可通过增加中频带宽来减少扫描时间。

本方案将数据传输、频率及幅度稳定、中频增益控制过程进行设计，其中数据传输及中频增益控制的过程与频率及幅度的稳定过程并行处理。同时通过大幅度提高频率稳定时间来缩短每点驻留时间。

矢量网络分析仪在扫描过程中，最主要的速度限制就来源于采样之前等待信号的频率与幅度稳定，而频率的稳定时间由信号源模块电路决定，本方案对频率稳定时间进行了分析与仿真，进一步提高整机的测量速度[4]。图3为VCO的调谐电路，我们通过设定鉴相频率、环路带宽、电荷泵电流等来进行仿真。频率稳定时间在10μs微秒以内，大大提升了稳定时间，能够满足设计要求。

图3 鉴相环路原理图

鉴相频率： 80MHz；环路带宽：500k Hz；电荷泵电流：1.25m A。

图4 环路稳定时间设计仿真图

一般矢量网络分析仪的扫描都是按照顺序流程，进行频率设置、等待频率稳定、采样几项步骤循环工作，等待频率稳定的时间会被浪费，本方案不仅对频率频率稳定时间进行优化，还重新设计了后续的工作流程。具体工作流程如下：

第一个扫描点主程序将各项信息送入DSP，DSP通过运算将频率信息与波段信息送入每块电路板，各相关电路板通过频率信息与波段信息就可以自行设置状态并在DSP发出触发信号后开始工作，在等待各电路板状态稳定阶段，DSP将下一个扫描点的频率与波段信息送入相关电路板内储存起来，并在等待一定时间后进行中频幅度检测来判断是否进行中频增益开关的切换，直到频率与功率完全稳定后进行数据采集工作，当数据采集完成后DSP立即发出触发信号通知各电路板开始下一个频率点的锁相工作。可以看到，DSP与电路板的数据传输是在频率锁相开始之后进行的，这会节约DSP与电路板进行数据传输的时间。

图5 高速扫描流程图

为了提高整机的动态范围，中频数字处理板采用两级增益可控，每个扫描点DSP均会检测中频功率来判断是否需要切换中频增益[5]，由于存在一定阈值，此判断无需特别精确，如果我们保证中频信号能够通过中频滤波器进行采样，便可以由DSP进行采样判断，由于数据已经送入各电路板存储，DSP可以采用触发信号同步两块小数分频板进行频率锁相，这样无需等待至小数分频板完全频率锁定就可以进行中频信号的采样判断，等到完成中频增益的判断后，频率及功率已经逐渐稳定，可以进行整机的中频信号处理过程。

图6 矢量网络分析仪高速扫描效果

2 结束语

本设计通过对矢量网络分析仪整机原理的分析，梳理出高速扫描设计需要优化的各项因素，包括功率、频率的稳定、数据传输、自动增益判断、频率点数据转换、各模块波段划分等，并对每项因素进行分析与优化设计，在50kHz中频带宽，测试点数801的条件下，单次扫描时间低于33ms，远低于工位调试需要的最低反应时间，具有很高的实用价值，同时也在批量生产的产品中进行了应用，效果良好。