矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理

現(xiàn)代微波技術(shù)要求在微波電路的設(shè)計(jì)和計(jì)算中必須準(zhǔn)確快速地測(cè)量所設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的微波器件及微波網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo),如S參數(shù)、駐波比、阻抗、導(dǎo)納和正反向傳輸損耗等。目前,集合成源、測(cè)試裝置、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為一體的測(cè)試系統(tǒng),已成為必不可少的測(cè)量?jī)x器,它與分體式矢網(wǎng)相比,體積小,便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,并且減少了許多外部連接電纜,提高了儀器的可靠性,從而得到了廣泛的應(yīng)用。

　　圖1矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀原理框圖

1、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的工作原理微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀主要由合成掃源(激勵(lì)源)、測(cè)試裝置(信號(hào)分離部分)、接收部分、微處理器四大部分組成,原理框圖如圖1所示。其基本工作原理是:先將激勵(lì)源的信號(hào)分成二路,一路作為參考信號(hào)R,另一路經(jīng)過衰減送入測(cè)試端口作為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)源,并通過定向耦合器取出,經(jīng)過被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的反射信號(hào)A和傳輸信號(hào)B后作為測(cè)試信號(hào),再用采樣變頻法將該兩路微波信號(hào)中所包含的幅度和相位信息線性地轉(zhuǎn)移到中頻或低頻上,進(jìn)行幅度和相位關(guān)系的測(cè)量,變頻還有利于在很寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)和步進(jìn)掃頻測(cè)量,以顯示出被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的各種參數(shù)隨頻率變化的情況。下面以HP公司的HP8720C為例,分析其各部分的工作原理及有關(guān)特點(diǎn)。

2、合成掃頻源部分

圖2 合成掃頻信號(hào)源的原理框圖

如圖2所示,它主要由參考信號(hào)、合成基波發(fā)生器和微波合成掃頻信號(hào)發(fā)生器YIG等組成。參考信號(hào)由頻率穩(wěn)定度極高的石英晶體振蕩器產(chǎn)生,并由此頻率再產(chǎn)生不同頻率的信號(hào)去分別同步基波發(fā)生器及合成掃頻發(fā)生器等,使它們所產(chǎn)生的工作頻率保持同晶振一樣的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度,達(dá)到儀器所滿足的頻率指標(biāo)?；òl(fā)生器產(chǎn)生頻率為60～240MHz的N分?jǐn)?shù)合成基波信號(hào),驅(qū)動(dòng)階躍二極管產(chǎn)生梳狀的采樣脈沖,由于梳狀的采樣脈沖具有非常豐富的諧波,而且采樣脈沖的諧波幅度與基波幅度一樣,其可用諧波的上限達(dá)幾十GHz。用它來作為網(wǎng)絡(luò)分析儀接收部分的第一本振源,這樣就使掃頻信號(hào)源在掃頻全程中中頻幅度保持不變,從而達(dá)到在變頻中信號(hào)的幅度和相位信息保持不變的目的。微波掃頻振蕩器用YIG(Yttrium-iron-garnet)作振蕩源,YIG首先產(chǎn)生一個(gè)2.25GHz～20GHz的信號(hào),然后再經(jīng)下變頻器產(chǎn)生一個(gè)0.50GHz～2.25GHz的信號(hào),使信號(hào)源達(dá)到了0.50GHz～20GHz的全程信號(hào);該YIG的頻率是由接收部分參考通道R的第一中頻信號(hào),取出一反饋與參考信號(hào)在鑒相器里比較后輸出一個(gè)直流誤差電壓來修正其振蕩頻率而達(dá)到鎖相的目的。目前,合成掃頻源都采用YIG作振蕩源,因?yàn)槠湔袷庮l率與它的驅(qū)動(dòng)電流能保持很好的線性關(guān)系,即它能保證掃頻時(shí)頻率保持良好的線性關(guān)系,并用內(nèi)部計(jì)算機(jī)來設(shè)定信號(hào)源每步頻率,將振蕩器頻率設(shè)定為應(yīng)有的準(zhǔn)確數(shù)值,在鎖相環(huán)保持中頻為恒定值的同時(shí)便自然地保證了掃頻源每步頻率等于指定值,其重復(fù)性優(yōu)于100Hz,從而使掃頻源的穩(wěn)定度和分辨率達(dá)到頻率合成器的水平,滿足了測(cè)量的需要。

1.1信號(hào)分離部分

圖3信號(hào)分離部分框圖信號(hào)分離部分框圖如圖3所示,

激勵(lì)信號(hào)首先經(jīng)一個(gè)衰減量為6dB電阻性的功率分配器對(duì)信號(hào)進(jìn)行分離,這里,利用該功率分配器的好處是頻率范圍寬,與信號(hào)源之間的匹配性能良好,但同時(shí)也犧牲了一定的信號(hào)功率。一路作為參考信號(hào)R直接送入接收部分的R采樣器,另一路作為激勵(lì)信號(hào)送入信號(hào)測(cè)試端口。該路激勵(lì)信號(hào)首先經(jīng)可程控的0～70dB的步進(jìn)衰減器(以增加信號(hào)測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍),再通過一程控微波開關(guān)以選擇正向(信號(hào)流向端口1)來進(jìn)行參數(shù)S11、S21的測(cè)量或反向(信號(hào)流向端口2)來進(jìn)行參數(shù)S12、S22的測(cè)量:若信號(hào)經(jīng)端口1送入被測(cè)網(wǎng)絡(luò),通過被測(cè)網(wǎng)絡(luò)反射信號(hào)經(jīng)端口1的定向耦合器耦合后送入接收機(jī)的A通道,與參考通道R的信號(hào)相比較(即A/R)測(cè)量其反射參數(shù)S11;通過被測(cè)網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)經(jīng)端口2的定向耦合器耦合后進(jìn)入接收機(jī)的B通道,與參考信號(hào)R相比較(即B/R)測(cè)量其傳輸參數(shù)S21。反之,信號(hào)經(jīng)端口2送入被測(cè)網(wǎng)絡(luò),即為S12反向傳輸參數(shù)的測(cè)量和S22的反向反射參數(shù)測(cè)量。

　　1.2信號(hào)接收部分

接收部分的框圖如圖4所示。由信號(hào)分離電路來的R、A、B信號(hào)分別通過各自的采樣器(第一混頻器)與第一本振(采樣脈沖)相混頻后變?yōu)榈谝恢蓄l(10MHz),第一中頻的計(jì)算公式為IF=N×VCO—fs,式中VCO是頻率為60MHz～240MHz的基波,N為其諧波,fs為被測(cè)射頻信號(hào)。經(jīng)中頻濾波器濾波,再與第二本振(9.996MHz)相混頻后產(chǎn)生第二中頻(4kHz)的最終中頻,該中頻信號(hào)經(jīng)程控多路開關(guān)在ADC電路分離出被測(cè)信號(hào)的幅度和相位信息,由于R通道的信號(hào)是被源鎖相的,A、B通道的信號(hào)相對(duì)再經(jīng)微處理器處理后,最終在顯示器(CRT)上顯示出所測(cè)量的信號(hào)來。這樣就利用較窄的接收波段和帶通濾波器,有效提高了測(cè)量靈敏度,降低了噪聲電平,同時(shí)也增加了測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。

圖4 接收部分原理框圖

　　1.3微處理部分微處理器主要實(shí)現(xiàn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的全自動(dòng)化操作,并計(jì)算和處理所測(cè)信號(hào),即通過測(cè)量A/R、B/R,自動(dòng)換算出網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的各種參數(shù),經(jīng)數(shù)據(jù)處理后顯示出來。還可以利用其強(qiáng)大的計(jì)算功能來消除測(cè)量誤差,即系統(tǒng)誤差。誤差修正過程稱為校準(zhǔn),即把那些頻率點(diǎn)上的誤差模型參數(shù)測(cè)量出來存于存貯器中,之后將每個(gè)步進(jìn)頻率點(diǎn)上測(cè)量結(jié)果中的系統(tǒng)誤差自動(dòng)扣除。具體的校準(zhǔn)方法是,在每個(gè)步進(jìn)點(diǎn)上暫時(shí)將信號(hào)源頻率固定不變,用若干個(gè)〔S〕參數(shù)已知的校準(zhǔn)件接入網(wǎng)絡(luò)分析儀,測(cè)出該件的〔S′〕值來得到足夠多數(shù)目的方程,這樣便可解出誤差模型中的全部待測(cè)參數(shù)。用這種方法來消除系統(tǒng)誤差,可以彌補(bǔ)儀器硬件設(shè)計(jì)中的不足,并且簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。本文由西安安泰儀器維修中心網(wǎng)整理發(fā)布，更多有關(guān)儀器維修知識(shí)歡迎訪問安泰維修網(wǎng)。