矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀概述與測(cè)試原理分析

一、概述

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種常見的射頻測(cè)量?jī)x器，主要用來測(cè)量高頻器件、電路及系統(tǒng)的性能參數(shù)，如線性參數(shù)、非線性參數(shù)、變頻參數(shù)等。

1.1 分類

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀一般以頻率來劃分，截止頻率越高，價(jià)格也越貴;

根據(jù)測(cè)試端口的數(shù)量可分為：雙端口、 3 端口、 4 端口、 6 端口;

常見的廠家有：美國(guó)的安捷倫( Agilent)、德國(guó)的羅德與施瓦茨( R&S) ， 國(guó)內(nèi)的有南京普納和中電 41 所。

1.2 常用功能

常用的測(cè)試器件有：功分器、合路器、濾波器、衰減器、天線、電纜、放大器、混頻器、雙工器、耦合器、隔離器、環(huán)行器、適配器、波導(dǎo)、差分器件等

常用的測(cè)試功能有：駐波比、回波損耗、插入損耗、平坦度、帶外抑制、衰減、增益、隔離度、特性阻抗、輸入輸出阻抗、相位、延時(shí)、 1dB 壓縮點(diǎn)、 噪聲系數(shù)、差分參數(shù)、共模參數(shù)、共模抑制比

CMRR 等。

二、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的組成及工作原理

上圖所示為典型的雙端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部組成框圖， 網(wǎng)絡(luò)分析儀包含以下四個(gè)部分：

1、 信號(hào)源： 提供被測(cè)器件激勵(lì)輸入信號(hào);

2、信號(hào)分離裝置： 含功分器和定向耦合器件，分別完成對(duì)被測(cè)器件輸入和反射信號(hào)提取;

3、接收機(jī)： (R1、 R2、 A、 B)對(duì)被測(cè)器件的反射、傳輸和輸入信號(hào)進(jìn)行測(cè)試、比較和分析;

4、處理顯示單元： 完成對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行處理和顯示。

2.1 信號(hào)源

信號(hào)源提供被測(cè)器件的激勵(lì)信號(hào)，由于網(wǎng)絡(luò)分析儀要測(cè)試被測(cè)器件傳輸、 反射特性與工作頻率和功率的關(guān)系。 所以，網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)信號(hào)源需具備頻率掃描和功率掃描功能。

被測(cè)器件通過傳輸和反射對(duì)激勵(lì)波作出響應(yīng)，被測(cè)器件的頻率響應(yīng)可以通過信號(hào)源掃頻來獲取，由于測(cè)試結(jié)構(gòu)需要考慮多種不同的信號(hào)源參數(shù)對(duì)系統(tǒng)造成的影響，故一般我們采用合成掃頻信號(hào)源。

當(dāng)掃描的頻率范圍設(shè)置為零( Span=0Hz) 時(shí)， 網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出信號(hào)為點(diǎn)頻 CW 信號(hào)。

網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出功率控制依靠 ALC( Automatic Level Control 自動(dòng)電平控制) 和衰減器兩個(gè)部分完成， ALC 保證輸入信號(hào)功率的穩(wěn)定和功率掃描控制，由于 ALC 控制范圍有限，因此需要衰減器完成大范圍功率。

2.2 信號(hào)分離裝置

網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部功分器和定向耦合器分別完成對(duì)被測(cè)件輸入信號(hào)和反射信號(hào)的提取。這兩部分統(tǒng)稱為信號(hào)分離裝置， 這部分硬件也通常被測(cè)試為“ 測(cè)試座” ，在一些特殊測(cè)試場(chǎng)合(大功率測(cè)試等)可不使用網(wǎng)絡(luò)分析儀表一體化的內(nèi)置測(cè)試座，而使用外置測(cè)試座設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部功分器將信號(hào)源的輸出功率分配給兩個(gè)參考接收機(jī) R1、 R2 以及作為兩個(gè)端口的輸入信號(hào)。而定向耦合器直接連接到測(cè)試端口上，用于提取反射信號(hào)，進(jìn)行反射特性的測(cè)量。

定向耦合器的方向性( Directivity)，用來反映定向耦合器分離兩個(gè)相反傳輸方向信號(hào)的能力。

方向性的計(jì)算如下式所示。

方向性( dB) =隔離度( dB) - 耦合系數(shù)( dB) - 衰減( dB)

2.3 接收機(jī)

接收機(jī)完成對(duì)參考信號(hào)、 反射信號(hào)、 傳輸信號(hào)的幅度和相位參數(shù)的測(cè)試分析。

接收機(jī)性能影響了網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試精度、 動(dòng)態(tài)范圍和測(cè)試速度。 為了具有良好的測(cè)試靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍，采用調(diào)諧接收機(jī)， 還能抑制諧波和寄生信號(hào)。

上圖為調(diào)諧接收機(jī)工作原理圖，調(diào)諧接收機(jī)使用一個(gè)本振信號(hào)( LO)去混頻射頻信號(hào)，得到一個(gè)較為低頻的中頻信號(hào)( IF) 。中頻信號(hào)被帶通濾波后，可以使接收機(jī)帶寬變窄且能顯著提高靈敏度及動(dòng)態(tài)范圍。最后網(wǎng)分使用 ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換)和 DSP(數(shù)字信號(hào)處理)從中頻信號(hào)中提取幅度與相位信息。調(diào)諧接收機(jī)普遍用于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及頻譜分析儀。

動(dòng)態(tài)范圍 = 最大接收功率 - 接收噪聲電平

如下圖所示，左右兩圖的最大接收功率一致，都在 0dB 附近。但左圖的接收噪聲電平小于-120dB，而右圖的噪聲電平為-90dB 左右，因此左圖的動(dòng)態(tài)范圍大于 120dB，而右圖的動(dòng)態(tài)范圍僅為90dB 左右。

圖2-1 網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)帶寬對(duì)測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍的影響

接收機(jī)掃頻測(cè)試過程通過鎖相環(huán)保證與激勵(lì)源的頻率同步掃描， 4 個(gè)通道接收機(jī)射頻處理和基帶處理的同步控制，保持相位相參關(guān)系。

2.4 處理顯示單元

網(wǎng)絡(luò)分析儀的顯示處理部分完成對(duì)測(cè)試結(jié)果的處理并按照需要的方式顯示測(cè)試結(jié)果。 顯示功能很強(qiáng)大并且靈活，如對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行合格判斷、 極限判斷( limit line) 、 標(biāo)識(shí)測(cè)試結(jié)果( marker) 、 文件處理(歸一化、儲(chǔ)存讀取等) 、 內(nèi)置 VBA 編程等功能測(cè)試數(shù)據(jù)的處理(嵌入處理、 去嵌入處理、差分參數(shù)轉(zhuǎn)換、 阻抗轉(zhuǎn)換、 時(shí)域轉(zhuǎn)換等) 等。

三、測(cè)試原理分析

1、傳統(tǒng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 VNA 包含一個(gè)給被測(cè)器件(DUT)和多測(cè)量接收機(jī)提供激勵(lì)的射頻信號(hào)發(fā)生器，以測(cè)量信號(hào)在正向傳輸和反向傳輸時(shí)入射、反射和傳輸信號(hào)。信號(hào)源在固定功率電平進(jìn)行掃頻以測(cè)量 S 參數(shù)，而在固定頻率上對(duì)其功率掃描，可以測(cè)量放大器的增益壓縮和 AM-PM 轉(zhuǎn)換。這些測(cè)量能測(cè)定線性和簡(jiǎn)單非線性器件的性能。

2、對(duì)于基本的 S 參數(shù)和壓縮測(cè)試，信號(hào)源和接收機(jī)調(diào)諧到相同的頻率。不過，通過使信號(hào)源和接收機(jī)頻率偏移，將接收機(jī)調(diào)諧至激勵(lì)頻率的整數(shù)倍，也能測(cè)出放大器的諧波性能。使信號(hào)源和接收機(jī)頻率偏移的能力同樣可以測(cè)量頻率轉(zhuǎn)換器件(如混頻器和變頻器)的幅度、相位和群延遲性能。

3、 VNA 只需一個(gè)射頻源就可以測(cè)量元件的 S 參數(shù)、壓縮和諧波，但增加第二內(nèi)部信號(hào)源則可以對(duì)更為復(fù)雜的非線性特性，如 IMD，進(jìn)行測(cè)量，特別是當(dāng)這兩個(gè)源與網(wǎng)絡(luò)儀內(nèi)部的信號(hào)合路器配合使用時(shí)尤其如此。對(duì)于 IMD 測(cè)量，使用信號(hào)合路器將兩個(gè)信號(hào)合并，然后送到被測(cè)放大器(AUT)的輸入端。 AUT 的非線性會(huì)引起與被放大的輸入信號(hào)一道出現(xiàn)的互調(diào)分量。在通信系統(tǒng)中，這些多余的分量將進(jìn)入工作頻帶且不能通過濾波去除。實(shí)踐中，只測(cè)三階分量，因?yàn)樗鼈兪窃斐上到y(tǒng)性能下降的最重要因素。

4、平衡電路測(cè)試原理：它能降低對(duì)電磁干擾的敏感度和又能降低電磁干擾的產(chǎn)生。平衡元件可以是有三個(gè)端口的平衡-單端器件或有四個(gè)端口的平衡-平衡器件。用四端口 VNA 很容易對(duì)這些元件進(jìn)行測(cè)試，可以測(cè)量差模響應(yīng)和共模響應(yīng)以及模式變換項(xiàng)。這些測(cè)試可以用單端激勵(lì)或真實(shí)模式激勵(lì)來完成。單端法是每次只測(cè)試一個(gè) DUT 端口并對(duì)差模響應(yīng)和共模響應(yīng)以及交叉模式特性進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算。這是最快且精確的技術(shù)，條件是外加功率電平應(yīng)使 AUT 保持在線性或適度壓縮的工作區(qū)。