在本文中，我們將探討VNA的信號(hào)源和接收器是如何實(shí)現(xiàn)其功能的。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）可能是射頻工程領(lǐng)域中最復(fù)雜、最通用的測(cè)試設(shè)備。通過測(cè)量正向和反向行波，VNA能夠表征被測(cè)器件（DUT）的響應(yīng)。圖1顯示了一個(gè)典型VNA的基本框圖。

VNA的基本框圖

圖1.VNA基本框圖。圖片由David M.Pozar提供

VNA使用內(nèi)部源來生成已知的刺激信號(hào)，然后將其施加到DUT的輸入端口。部分信號(hào)從輸入端口反射，而部分信號(hào)通過DUT到達(dá)輸出端口。VNA通過測(cè)量每個(gè)端口的入射波和反射波的幅度和相位，以反射系數(shù)和傳輸系數(shù)表征DUT的性能。

要了解VNA性能的驅(qū)動(dòng)因素，我們需要熟悉VNA的內(nèi)部硬件。本系列之前的文章重點(diǎn)介紹了VNA端口中使用的定向耦合器——它們?cè)?/span>VNA功能中的關(guān)鍵作用及其對(duì)測(cè)量精度的影響。在本文中，我們將把注意力轉(zhuǎn)向VNA的信號(hào)生成器和接收器。

VNA源組件

對(duì)于基本的S參數(shù)測(cè)量，VNA的內(nèi)部源需要產(chǎn)生單音正弦波。對(duì)于更高級(jí)的測(cè)量，我們可能需要多音輸入或調(diào)制信號(hào)來更完整地表征DUT。為了實(shí)現(xiàn)不同類型的測(cè)量，內(nèi)部電源的頻率和功率也必須是可調(diào)節(jié)的。

VNA使用鎖相環(huán)（PLL）系統(tǒng)，如圖2中的簡(jiǎn)化框圖所示，以提供所需的頻率穩(wěn)定性和頻譜純度。

鎖相環(huán)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖

圖2:PLL的簡(jiǎn)化框圖。圖像由Analog Devices提供

PLL的性能在很大程度上取決于它所使用的可調(diào)諧振蕩器的特性。構(gòu)建RF/微波可調(diào)諧振蕩器的兩種常見選擇是：

壓控振蕩器（VCO）。

釔鐵石榴石（YIG）調(diào)諧振蕩器（YTO）。

如您所見，圖2中的振蕩器是一個(gè)VCO。大多數(shù)EE至少對(duì)VCO的操作有一點(diǎn)熟悉，所以在我們繼續(xù)討論YIG振蕩器之前，我們只簡(jiǎn)單地介紹一下它們。

VCO基于集總LC或分布式微帶諧振器，并使用變?nèi)荻O管來實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧電容器。它們的Q值通常在幾十到幾百之間。由于其低Q和高調(diào)諧靈敏度，寬帶VCO比YIG調(diào)諧振蕩器具有更高的相位噪聲。

YIG振蕩器由于其低寬帶相位噪聲和寬調(diào)諧范圍，是許多現(xiàn)代寬帶信號(hào)發(fā)生器的核心。圖3顯示了Micro Lambda的一對(duì)YIG調(diào)諧振蕩器。

YIG調(diào)諧振蕩器來自Micro Lambda。

圖3.MLOS系列YIG調(diào)諧振蕩器。圖片由Micro Lambda提供

YIG振蕩器

釔鐵石榴石是一種合成的鐵磁性材料，具有獨(dú)特的磁性和微波特性。YIG諧振器采用直徑約500μm的小球的形式，由這種材料的單晶制成。YIG球體通常安裝在陶瓷棒的尖端，如圖4所示。

作為振蕩器的一部分安裝在陶瓷棒上的YIG球體。

圖4.作為振蕩器的一部分安裝在陶瓷棒上的YIG球體。甚高頻通信提供的圖像

圖4中的U形帶是一個(gè)圍繞YIG球的耦合線圈，將其定位在電磁鐵的磁場(chǎng)中。球體的諧振頻率是磁場(chǎng)強(qiáng)度的線性比例函數(shù)，可以通過調(diào)節(jié)流經(jīng)電磁鐵的直流電流來調(diào)節(jié)。使用這種類型的諧振器可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的Q——在10GHz的4000范圍內(nèi)。

YTO與VCO的優(yōu)缺點(diǎn)

YTO具有以下有利特征：

低寬帶相位噪聲。

非常寬的調(diào)諧范圍。

高度線性的調(diào)諧曲線。

不太有利的是，YIG振蕩器表現(xiàn)出滯后效應(yīng)，這降低了它們的調(diào)諧速度。這對(duì)需要源快速掃過頻率以收集DUT的頻率響應(yīng)的VNA應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。與VCO相比，YIG振蕩器也是大的、耗電的、昂貴的。

值得注意的是，一些公司已經(jīng)嘗試為YIG調(diào)諧振蕩器創(chuàng)造有競(jìng)爭(zhēng)力的替代品。本Analog Devices應(yīng)用說明中描述的PLL/VCO集成電路就是一個(gè)例子。

光譜純度與相位噪聲要求

盡管源的相位噪聲影響所有測(cè)量，但在某些情況下，光譜純度要求可能會(huì)放寬——例如，在表征設(shè)備的線性響應(yīng)時(shí)。這是因?yàn)?/span>VNA知道刺激信號(hào)的頻率。因此，即使在存在不期望的頻率分量的情況下，它也可以調(diào)諧到適當(dāng)?shù)念l率并進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。

然而，諸如互調(diào)失真和頻率平移之類的非線性測(cè)量更有可能受到來自源的不想要的頻率分量的影響。

VNA接收器

再參考圖1中的框圖，我們可以看到，DUT的輸入端口（端口1）包含兩個(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刺激；用于測(cè)量或測(cè)試信道的接收器測(cè)量未知反射信號(hào)。

接收器也存在于DUT的輸出端口（端口2）處，以測(cè)量設(shè)備發(fā)射的信號(hào)。圖1中的VNA還允許我們將刺激信號(hào)路由到端口2，從而更容易測(cè)量輸出反射系數(shù)和DUT的S12透射系數(shù)。因此，每個(gè)VNA端口后面都有一個(gè)參考接收器和一個(gè)測(cè)量接收器。

由于很難確定高頻信號(hào)的振幅和相位角，接收器將輸入波轉(zhuǎn)換為等效的低頻信號(hào)。這些信號(hào)又被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后用于找到原始信號(hào)的振幅和相位信息。

有趣的是，一旦配備了這些接收器，VNA就可以與一個(gè)或多個(gè)天線組合，以創(chuàng)建雷達(dá)系統(tǒng)。通過應(yīng)用成像技術(shù)，我們可以使用這樣的雷達(dá)系統(tǒng)來檢測(cè)不可見的材料缺陷，而無需求助于X射線技術(shù)。

外差接收機(jī)體系結(jié)構(gòu)

VNA接收機(jī)通常采用外差結(jié)構(gòu)。外差一詞來源于雜（不同）和達(dá)因（混合）。這些接收器適當(dāng)?shù)鼗旌狭藘蓚€(gè)不同頻率的信號(hào)：一個(gè)來自輸入端，另一個(gè)來自本地振蕩器。

圖5顯示了外差參考和測(cè)試信道的簡(jiǎn)化框圖。輸入波被標(biāo)記為VA和VB；本地振蕩器由LO表示。單個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）對(duì)來自兩個(gè)通道的信號(hào)進(jìn)行操作。

VNA參考和測(cè)試通道的簡(jiǎn)化圖。

圖5.VNA參考和通道的簡(jiǎn)化框圖。圖片由Steve Arar提供

在圖5中，每個(gè)高頻輸入信號(hào)：

通過帶通濾波器（BPF）。

進(jìn)入射頻混頻器。

與來自接收器的本地振蕩器（LO）的信號(hào)混合。

離開RF混頻器并通過低通濾波器（LPF）。

通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

進(jìn)入DSP。

帶通濾波器對(duì)RF混頻器執(zhí)行圖像抑制?；祛l器然后將具有頻率fRF的RF輸入轉(zhuǎn)換為中頻（fIF）。該頻率由以下公式給出：

其中fLO是本地振蕩器的頻率。

RF混頻器在VNA的動(dòng)態(tài)范圍中起著關(guān)鍵作用。將非常大的信號(hào)應(yīng)用于混頻器可能會(huì)產(chǎn)生失真，而將非常小的信號(hào)與噪聲區(qū)分開來。因此，下變頻混頻器的設(shè)計(jì)通常需要在系統(tǒng)的噪聲系數(shù)和線性度之間進(jìn)行關(guān)鍵的折衷。

中頻（IF）低通濾波器表示信號(hào)鏈中的下一個(gè)塊。此濾波器用于限制信號(hào)帶寬，防止ADC中的混疊。它還將大部分接收到的噪聲排除在信號(hào)處理鏈的后續(xù)鏈路之外。

最后，ADC將信號(hào)數(shù)字化，并將其傳遞給DSP進(jìn)行進(jìn)一步處理。DSP確定參考和測(cè)試輸入信號(hào)的振幅比和相位差。然后，它使用這些信息來表征DUT的性能。為了產(chǎn)生準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，測(cè)試接收器和參考接收器必須匹配良好。

數(shù)字信號(hào)處理器

圖6顯示了DSP功能的一些附加細(xì)節(jié)。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析中使用的數(shù)字信號(hào)處理器示意圖。

圖6.矢量網(wǎng)絡(luò)分析中使用的DSP的簡(jiǎn)化框圖。圖片由Rohde&Schwarz提供

如上圖所示，該DSP包括一個(gè)數(shù)字下變頻器（DDC），用于處理數(shù)字中頻處理。這里使用兩個(gè)數(shù)字乘法器作為正交混頻器來將IF信號(hào)下變頻為DC。如果您想了解更多關(guān)于接收器這一部分功能的信息，請(qǐng)參閱Rohde&Schwarz的“矢量網(wǎng)絡(luò)分析基礎(chǔ)”。

總結(jié)

在本文中，我們通過檢查VNA的信號(hào)源和接收器了解了VNA的內(nèi)部工作原理。本系列的未來文章將解釋如何校準(zhǔn)、分析和改進(jìn)VNA性能。在那之前，我希望你覺得今天的討論很有趣，內(nèi)容豐富。