理解矢量网络分析仪的内部工作原理

在本文中，我们探讨了矢量网络分析仪（VNA）的信号源和接收器如何使其发挥作用。在射频（RF）工程领域，矢量网络分析仪（VNAs）可能是最复杂且最通用的测试设备。通过测量前向和后向行波，VNAs能够表征被测设备（DUT）的响应。图1展示了一款典型矢量网络分析仪的基本方框图。

图 1. 基础矢量网络分析仪（VNA）方框图

矢量网络分析仪（VNA）利用内部信号源生成已知激励信号，将其施加于被测设备（DUT）的输入端口。部分信号从输入端口反射，部分则穿过 DUT 到达输出端口。VNA 通过测量各端口入射波与反射波的幅度和相位，以反射系数和传输系数为依据表征 DUT 的性能。

欲深入了解 VNA 性能的驱动因素，需熟悉其内部硬件。本系列前期文章聚焦于 VNA 端口所用方向耦合器，探讨其在 VNA 功能中的关键作用及对测量精度的影响。本文将聚焦 VNA 的信号发生器与接收器。

进行基础 S 参数测量时，VNA 内部信号源需产生单一频率正弦波。对于更高级测量，可能需要多音信号或调制信号以更全面地表征 DUT。为支持不同测量类型，内部信号源的频率和功率需可调。

如图 2 简化方框图所示，VNAs 采用锁相环（PLL）系统，以提供所需的频率稳定性和频谱纯度。

图 2. 锁相环（PLL）简化方框图

PLL 的性能在很大程度上取决于其采用的可调振荡器的特性。构建射频/微波可调振荡器的两种常见选择是：

电压控制振荡器（VCOs）。钇铁石榴石（YIG）调谐振荡器（YTOs）。如图 2 所示，振荡器为 VCO。多数电子工程师（EEs）对 VCO 的工作原理至少有一定了解，因此我们仅简要介绍 VCO，随后将重点转向 YIG 振荡器。

VCOs 基于集总 LC 或分布微带谐振器，利用变容二极管实现可调电容。其 Q 值通常为几十到几百。由于 Q 值较低且调谐灵敏度高，宽带 VCOs 的相位噪声高于 YIG 调谐振荡器。

由于宽带相位噪声低且调谐范围宽，YIG 振荡器成为许多现代宽带信号发生器的核心。图 3 展示了 Micro Lambda 的一对 YIG 调谐振荡器。

图 3. MLOS 系列 YIG 调谐振荡器

钇铁石榴石（YIG）是一种具有独特磁性和微波特性的合成铁磁材料。YIG 谐振器呈小球形，直径约 500 μm，由该材料的单晶制成。YIG 球通常安装在陶瓷杆的尖端，如图 4 所示。

图 4. 作为振荡器一部分安装在陶瓷杆上的 YIG 球

图 4 中的 U 形带是包围 YIG 球的耦合线圈，将其置于电磁铁的磁场中。球的谐振频率与磁场强度成正比，可通过调节电磁铁中的直流电流来调整。这种谐振器的 Q 值相对较高，在 10 GHz 时可达 4,000 左右。

与 VCOs 相比，YTOs 具有以下优点：

然而，YIG 振荡器也存在一些不利因素，如磁滞效应会降低其调谐速度，这对 VNA 应用构成挑战，因为 VNA 需要信号源快速扫过频率以采集 DUT 的频率响应。此外，与 VCOs 相比，YIG 振荡器体积大、耗电多、成本高。

值得指出的是，一些公司已尝试开发 YIG 调谐振荡器的替代品。例如，Analog Devices 应用笔记中描述的 PLL/VCO 集成电路就是一例。

尽管信号源的相位噪声会影响所有测量，但在某些情况下，频谱纯度要求可以放宽，例如在表征设备线性响应时。这是因为 VNA 知道激励信号的频率，因此即使存在不需要的频率成分，它也可以调谐到适当的频率并进行准确测量。

然而，像互调失真和频率转换这样的非线性测量更容易受到信号源不需要频率成分的影响。

回到图 1 的方框图，我们可以看到在 DUT 的输入端口（端口 1）处集成了两个接收器，用于测量入射波和反射波。参考通道的接收器处理激励信号；测量或测试通道的接收器测量未知的反射信号。

在 DUT 的输出端口（端口 2）处也有一个接收器，用于测量设备发出的信号。图 1 中的 VNA 还允许我们将激励信号路由到端口 2，以便更容易测量输出反射系数和 DUT 的 S12 传输系数。因此，VNA 的每个端口后面都有一个参考接收器和一个测量接收器。

由于难以确定高频信号的幅度和相位角，接收器将输入波转换为等效的低频信号。然后，这些低频信号再转换为相应的数字信号，用于确定原始信号的幅度和相位信息。

有趣的是，一旦配备了这些接收器，VNA 可以与一个或多个天线结合，创建一个雷达系统。通过应用成像技术，我们可以使用这种雷达系统检测材料缺陷，而无需借助 X 射线技术。

VNA 接收机通常采用变频架构。术语“变频”源自“异”（不同）和“混频”。恰如其分，这些接收机混合了两个不同频率的信号：一个来自输入，一个来自本振。

图 5 显示了变频参考和测试通道的简化方框图。输入波标记为 VA 和 VB；本振标记为 LO。一个数字信号处理器（DSP）对两个通道的信号进行处理。

图 5. 矢量网络分析仪（VNA）参考和通道简化方框图

在图 5 中，每个高频输入信号均需经历以下步骤：

带通滤波器执行射频混频器的镜像抑制。混频器随后将频率为 fRF 的射频输入转换为中频（fIF），该频率由下式给出：

其中 fLO 为本振信号频率。射频混频器对 VNA 的动态范围起着关键作用。向混频器施加非常大的信号会导致失真，而非常小的信号则无法与噪声区分开来。因此，下变频混频器的设计通常需要在系统噪声系数和线性度之间做出重要权衡。

中频低通滤波器是信号链中的下一个模块。该滤波器用于限制信号带宽，防止模数转换器中出现混叠现象。它还将大部分接收到的噪声阻挡在信号处理链的后续环节之外。

最后，模数转换器对信号进行数字化处理，并将其传输到数字信号处理器中作进一步处理。数字信号处理器测定参考输入信号和测试输入信号的幅度比值和相位差。它随后利用这些信息来表征被测设备的性能。为确保测量结果准确无误，测试接收机与参考接收机必须高度匹配。

图 6 展示了数字信号处理器（DSP）功能的一些额外细节。

图 6. 矢量网络分析中使用的数字信号处理器（DSP）简化方框图

如上图所示，该 DSP 包含一个数字下变频器（DDC），用于处理数字中频（IF）信号。这里使用了两个数字乘法器作为正交混频器，将中频信号下变频至直流（DC）。如果您想了解更多关于接收机这部分功能的信息，请参考 Rohde & Schwarz 的《矢量网络分析基础》。

在本文中，我们通过研究矢量网络分析仪（VNAs）的信号源和接收器，了解了其内部工作原理。本系列的后续文章将解释如何校准、分析和提高 VNA 的性能。在此之前，希望今天的讨论对您有所启发并富有信息量。