在本文中，我們探討了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）的信號源和接收器如何使其發(fā)揮作用。 在射頻（RF）工程領(lǐng)域，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNAs）可能是最復(fù)雜且最通用的測試設(shè)備。通過測量前向和后向行波，VNAs能夠表征被測設(shè)備（DUT）的響應(yīng)。圖1展示了一款典型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本方框圖。

圖 1. 基礎(chǔ)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）方框圖

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）利用內(nèi)部信號源生成已知激勵信號，將其施加于被測設(shè)備（DUT）的輸入端口。部分信號從輸入端口反射，部分則穿過 DUT 到達輸出端口。VNA 通過測量各端口入射波與反射波的幅度和相位，以反射系數(shù)和傳輸系數(shù)為依據(jù)表征 DUT 的性能。

欲深入了解 VNA 性能的驅(qū)動因素，需熟悉其內(nèi)部硬件。本系列前期文章聚焦于 VNA 端口所用方向耦合器，探討其在 VNA 功能中的關(guān)鍵作用及對測量精度的影響。本文將聚焦 VNA 的信號發(fā)生器與接收器。

VNA 信號源組件

進行基礎(chǔ) S 參數(shù)測量時，VNA 內(nèi)部信號源需產(chǎn)生單一頻率正弦波。對于更高級測量，可能需要多音信號或調(diào)制信號以更全面地表征 DUT。為支持不同測量類型，內(nèi)部信號源的頻率和功率需可調(diào)。

如圖 2 簡化方框圖所示，VNAs 采用鎖相環(huán)（PLL）系統(tǒng)，以提供所需的頻率穩(wěn)定性和頻譜純度。

圖 2. 鎖相環(huán)（PLL）簡化方框圖

PLL 的性能在很大程度上取決于其采用的可調(diào)振蕩器的特性。構(gòu)建射頻/微波可調(diào)振蕩器的兩種常見選擇是：

電壓控制振蕩器（VCOs）。 釔鐵石榴石（YIG）調(diào)諧振蕩器（YTOs）。 如圖 2 所示，振蕩器為 VCO。多數(shù)電子工程師（EEs）對 VCO 的工作原理至少有一定了解，因此我們僅簡要介紹 VCO，隨后將重點轉(zhuǎn)向 YIG 振蕩器。

VCOs 基于集總 LC 或分布微帶諧振器，利用變?nèi)荻O管實現(xiàn)可調(diào)電容。其 Q 值通常為幾十到幾百。由于 Q 值較低且調(diào)諧靈敏度高，寬帶 VCOs 的相位噪聲高于 YIG 調(diào)諧振蕩器。

由于寬帶相位噪聲低且調(diào)諧范圍寬，YIG 振蕩器成為許多現(xiàn)代寬帶信號發(fā)生器的核心。圖 3 展示了 Micro Lambda 的一對 YIG 調(diào)諧振蕩器。

圖 3. MLOS 系列 YIG 調(diào)諧振蕩器

YIG 振蕩器

釔鐵石榴石（YIG）是一種具有獨特磁性和微波特性的合成鐵磁材料。YIG 諧振器呈小球形，直徑約 500 μm，由該材料的單晶制成。YIG 球通常安裝在陶瓷桿的尖端，如圖 4 所示。

圖 4. 作為振蕩器一部分安裝在陶瓷桿上的 YIG 球

圖 4 中的 U 形帶是包圍 YIG 球的耦合線圈，將其置于電磁鐵的磁場中。球的諧振頻率與磁場強度成正比，可通過調(diào)節(jié)電磁鐵中的直流電流來調(diào)整。這種諧振器的 Q 值相對較高，在 10 GHz 時可達 4,000 左右。

YTOs 與 VCOs 的優(yōu)缺點

與 VCOs 相比，YTOs 具有以下優(yōu)點：

• 寬帶相位噪聲低。

• 調(diào)諧范圍非常寬。

• 調(diào)諧曲線高度線性。

然而，YIG 振蕩器也存在一些不利因素，如磁滯效應(yīng)會降低其調(diào)諧速度，這對 VNA 應(yīng)用構(gòu)成挑戰(zhàn)，因為 VNA 需要信號源快速掃過頻率以采集 DUT 的頻率響應(yīng)。此外，與 VCOs 相比，YIG 振蕩器體積大、耗電多、成本高。

值得指出的是，一些公司已嘗試開發(fā) YIG 調(diào)諧振蕩器的替代品。例如，Analog Devices 應(yīng)用筆記中描述的 PLL/VCO 集成電路就是一例。

頻譜純度與相位噪聲要求

盡管信號源的相位噪聲會影響所有測量，但在某些情況下，頻譜純度要求可以放寬，例如在表征設(shè)備線性響應(yīng)時。這是因為 VNA 知道激勵信號的頻率，因此即使存在不需要的頻率成分，它也可以調(diào)諧到適當?shù)念l率并進行準確測量。

然而，像互調(diào)失真和頻率轉(zhuǎn)換這樣的非線性測量更容易受到信號源不需要頻率成分的影響。

VNA 接收器

回到圖 1 的方框圖，我們可以看到在 DUT 的輸入端口（端口 1）處集成了兩個接收器，用于測量入射波和反射波。參考通道的接收器處理激勵信號；測量或測試通道的接收器測量未知的反射信號。

在 DUT 的輸出端口（端口 2）處也有一個接收器，用于測量設(shè)備發(fā)出的信號。圖 1 中的 VNA 還允許我們將激勵信號路由到端口 2，以便更容易測量輸出反射系數(shù)和 DUT 的 S12 傳輸系數(shù)。因此，VNA 的每個端口后面都有一個參考接收器和一個測量接收器。

由于難以確定高頻信號的幅度和相位角，接收器將輸入波轉(zhuǎn)換為等效的低頻信號。然后，這些低頻信號再轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，用于確定原始信號的幅度和相位信息。

有趣的是，一旦配備了這些接收器，VNA 可以與一個或多個天線結(jié)合，創(chuàng)建一個雷達系統(tǒng)。通過應(yīng)用成像技術(shù)，我們可以使用這種雷達系統(tǒng)檢測材料缺陷，而無需借助 X 射線技術(shù)。

變頻接收機架構(gòu)

VNA 接收機通常采用變頻架構(gòu)。術(shù)語“變頻”源自“異”（不同）和“混頻”。恰如其分，這些接收機混合了兩個不同頻率的信號：一個來自輸入，一個來自本振。

圖 5 顯示了變頻參考和測試通道的簡化方框圖。輸入波標記為 VA 和 VB；本振標記為 LO。一個數(shù)字信號處理器（DSP）對兩個通道的信號進行處理。

圖 5. 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）參考和通道簡化方框圖

在圖 5 中，每個高頻輸入信號均需經(jīng)歷以下步驟：

1. 通過帶通濾波器（BPF）。

2. 進入射頻混頻器。

3. 與接收器本振（LO）信號混頻。

4. 離開射頻混頻器并通過低通濾波器（LPF）。

5. 通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

6. 進入數(shù)字信號處理器（DSP）。

帶通濾波器執(zhí)行射頻混頻器的鏡像抑制?；祛l器隨后將頻率為 fRF 的射頻輸入轉(zhuǎn)換為中頻（fIF），該頻率由下式給出：

其中 fLO 為本振信號頻率。 射頻混頻器對 VNA 的動態(tài)范圍起著關(guān)鍵作用。向混頻器施加非常大的信號會導致失真，而非常小的信號則無法與噪聲區(qū)分開來。因此，下變頻混頻器的設(shè)計通常需要在系統(tǒng)噪聲系數(shù)和線性度之間做出重要權(quán)衡。

中頻低通濾波器是信號鏈中的下一個模塊。該濾波器用于限制信號帶寬，防止模數(shù)轉(zhuǎn)換器中出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。它還將大部分接收到的噪聲阻擋在信號處理鏈的后續(xù)環(huán)節(jié)之外。

最后，模數(shù)轉(zhuǎn)換器對信號進行數(shù)字化處理，并將其傳輸?shù)綌?shù)字信號處理器中作進一步處理。數(shù)字信號處理器測定參考輸入信號和測試輸入信號的幅度比值和相位差。它隨后利用這些信息來表征被測設(shè)備的性能。為確保測量結(jié)果準確無誤，測試接收機與參考接收機必須高度匹配。

數(shù)字信號處理器

圖 6 展示了數(shù)字信號處理器（DSP）功能的一些額外細節(jié)。

圖 6. 矢量網(wǎng)絡(luò)分析中使用的數(shù)字信號處理器（DSP）簡化方框圖

如上圖所示，該 DSP 包含一個數(shù)字下變頻器（DDC），用于處理數(shù)字中頻（IF）信號。這里使用了兩個數(shù)字乘法器作為正交混頻器，將中頻信號下變頻至直流（DC）。如果您想了解更多關(guān)于接收機這部分功能的信息，請參考 Rohde & Schwarz 的《矢量網(wǎng)絡(luò)分析基礎(chǔ)》。

總結(jié)

在本文中，我們通過研究矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNAs）的信號源和接收器，了解了其內(nèi)部工作原理。本系列的后續(xù)文章將解釋如何校準、分析和提高 VNA 的性能。在此之前，希望今天的討論對您有所啟發(fā)并富有信息量。