在本文中，我們探討了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）的信號(hào)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(cè)試設(shè)備。通過(guò)測(cè)量前向和后向行波，VNAs能夠表征被測(cè)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(hào)源生成已知激勵(lì)信號(hào)，將其施加于被測(cè)設(shè)備（DUT）的輸入端口。部分信號(hào)從輸入端口反射，部分則穿過(guò) DUT 到達(dá)輸出端口。VNA 通過(guò)測(cè)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(dòng)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(duì)測(cè)量精度的影響。本文將聚焦 VNA 的信號(hào)發(fā)生器與接收器。

VNA 信號(hào)源組件

進(jìn)行基礎(chǔ) S 參數(shù)測(cè)量時(shí)，VNA 內(nèi)部信號(hào)源需產(chǎn)生單一頻率正弦波。對(duì)于更高級(jí)測(cè)量，可能需要多音信號(hào)或調(diào)制信號(hào)以更全面地表征 DUT。為支持不同測(cè)量類型，內(nèi)部信號(hào)源的頻率和功率需可調(diào)。

如圖 2 簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiàn)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(duì) VCO 的工作原理至少有一定了解，因此我們僅簡(jiǎn)要介紹 VCO，隨后將重點(diǎn)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(shí)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(hào)發(fā)生器的核心。圖 3 展示了 Micro Lambda 的一對(duì) 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(dú)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(chǎng)中。球的諧振頻率與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，可通過(guò)調(diào)節(jié)電磁鐵中的直流電流來(lái)調(diào)整。這種諧振器的 Q 值相對(duì)較高，在 10 GHz 時(shí)可達(dá) 4,000 左右。

YTOs 與 VCOs 的優(yōu)缺點(diǎn)

與 VCOs 相比，YTOs 具有以下優(yōu)點(diǎn)：

• 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(huì)降低其調(diào)諧速度，這對(duì) VNA 應(yīng)用構(gòu)成挑戰(zhàn)，因?yàn)?VNA 需要信號(hào)源快速掃過(guò)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(hào)源的相位噪聲會(huì)影響所有測(cè)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(shí)。這是因?yàn)?VNA 知道激勵(lì)信號(hào)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(dāng)?shù)念l率并進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

然而，像互調(diào)失真和頻率轉(zhuǎn)換這樣的非線性測(cè)量更容易受到信號(hào)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(gè)接收器，用于測(cè)量入射波和反射波。參考通道的接收器處理激勵(lì)信號(hào)；測(cè)量或測(cè)試通道的接收器測(cè)量未知的反射信號(hào)。

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

由于難以確定高頻信號(hào)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(hào)。然后，這些低頻信號(hào)再轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，用于確定原始信號(hào)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(gè)或多個(gè)天線結(jié)合，創(chuàng)建一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)。通過(guò)應(yīng)用成像技術(shù)，我們可以使用這種雷達(dá)系統(tǒng)檢測(cè)材料缺陷，而無(wú)需借助 X 射線技術(shù)。

變頻接收機(jī)架構(gòu)

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

圖 5 顯示了變頻參考和測(cè)試通道的簡(jiǎn)化方框圖。輸入波標(biāo)記為 VA 和 VB；本振標(biāo)記為 LO。一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）對(duì)兩個(gè)通道的信號(hào)進(jìn)行處理。

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

在圖 5 中，每個(gè)高頻輸入信號(hào)均需經(jīng)歷以下步驟：

1. 通過(guò)帶通濾波器（BPF）。

2. 進(jìn)入射頻混頻器。

3. 與接收器本振（LO）信號(hào)混頻。

4. 離開射頻混頻器并通過(guò)低通濾波器（LPF）。

5. 通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

6. 進(jìn)入數(shù)字信號(hào)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(hào)頻率。 射頻混頻器對(duì) VNA 的動(dòng)態(tài)范圍起著關(guān)鍵作用。向混頻器施加非常大的信號(hào)會(huì)導(dǎo)致失真，而非常小的信號(hào)則無(wú)法與噪聲區(qū)分開來(lái)。因此，下變頻混頻器的設(shè)計(jì)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(hào)鏈中的下一個(gè)模塊。該濾波器用于限制信號(hào)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(hào)處理鏈的后續(xù)環(huán)節(jié)之外。

最后，模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，并將其傳輸?shù)綌?shù)字信號(hào)處理器中作進(jìn)一步處理。數(shù)字信號(hào)處理器測(cè)定參考輸入信號(hào)和測(cè)試輸入信號(hào)的幅度比值和相位差。它隨后利用這些信息來(lái)表征被測(cè)設(shè)備的性能。為確保測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確無(wú)誤，測(cè)試接收機(jī)與參考接收機(jī)必須高度匹配。

數(shù)字信號(hào)處理器

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

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

如上圖所示，該 DSP 包含一個(gè)數(shù)字下變頻器（DDC），用于處理數(shù)字中頻（IF）信號(hào)。這里使用了兩個(gè)數(shù)字乘法器作為正交混頻器，將中頻信號(hào)下變頻至直流（DC）。如果您想了解更多關(guān)于接收機(jī)這部分功能的信息，請(qǐng)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(guò)研究矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNAs）的信號(hào)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(zhǔn)、分析和提高 VNA 的性能。在此之前，希望今天的討論對(duì)您有所啟發(fā)并富有信息量。