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)計和計算中必須準確快速地測量所設(shè)計和生產(chǎn)的微波器件及微波網(wǎng)絡(luò)的各項參數(shù)指標,如S參數(shù)、駐波比、阻抗、導納和正反向傳輸損耗等。目前,集合成源、測試裝置、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為一體的測試系統(tǒng),已成為必不可少的測量儀器,它與分體式矢網(wǎng)相比,體積小,便于現(xiàn)場測試,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(激勵源)、測試裝置(信號分離部分)、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:先將激勵源的信號分成二路,一路作為參考信號R,另一路經(jīng)過衰減送入測試端口作為被測網(wǎng)絡(luò)的激勵源,并通過定向耦合器取出,經(jīng)過被測網(wǎng)絡(luò)的反射信號A和傳輸信號B后作為測試信號,再用采樣變頻法將該兩路微波信號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,進行幅度和相位關(guān)系的測量,變頻還有利于在很寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)和步進掃頻測量,以顯示出被測網(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。

2、合成掃頻源部分

圖2 合成掃頻信號源的原理框圖

如圖2所示,它主要由參考信號、合成基波發(fā)生器和微波合成掃頻信號發(fā)生器YIG等組成。參考信號由頻率穩(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確度和穩(wěn)定度,達到儀器所滿足的頻率指標?；òl(fā)生器產(chǎn)生頻率為60～240MHz的N分數(shù)合成基波信號,驅(qū)動階躍二極管產(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,這樣就使掃頻信號源在掃頻全程中中頻幅度保持不變,從而達到在變頻中信號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2.25GHz～20GHz的信號,然后再經(jīng)下變頻器產(chǎn)生一個0.50GHz～2.25GHz的信號,使信號源達到了0.50GHz～20GHz的全程信號;該YIG的頻率是由接收部分參考通道R的第一中頻信號,取出一反饋與參考信號在鑒相器里比較后輸出一個直流誤差電壓來修正其振蕩頻率而達到鎖相的目的。目前,合成掃頻源都采用YIG作振蕩源,因為其振蕩頻率與它的驅(qū)動電流能保持很好的線性關(guān)系,即它能保證掃頻時頻率保持良好的線性關(guān)系,并用內(nèi)部計算機來設(shè)定信號源每步頻率,將振蕩器頻率設(shè)定為應(yīng)有的準確數(shù)值,在鎖相環(huán)保持中頻為恒定值的同時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)定度和分辨率達到頻率合成器的水平,滿足了測量的需要。

1.1信號分離部分

圖3信號分離部分框圖信號分離部分框圖如圖3所示,

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

　　1.2信號接收部分

接收部分的框圖如圖4所示。由信號分離電路來的R、A、B信號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為被測射頻信號。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,該中頻信號經(jīng)程控多路開關(guān)在ADC電路分離出被測信號的幅度和相位信息,由于R通道的信號是被源鎖相的,A、B通道的信號相對再經(jīng)微處理器處理后,最終在顯示器(CRT)上顯示出所測量的信號來。這樣就利用較窄的接收波段和帶通濾波器,有效提高了測量靈敏度,降低了噪聲電平,同時也增加了測量的動態(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現(xiàn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的全自動化操作,并計算和處理所測信號,即通過測量A/R、B/R,自動換算出網(wǎng)絡(luò)測量的各種參數(shù),經(jīng)數(shù)據(jù)處理后顯示出來。還可以利用其強大的計算功能來消除測量誤差,即系統(tǒng)誤差。誤差修正過程稱為校準,即把那些頻率點上的誤差模型參數(shù)測量出來存于存貯器中,之后將每個步進頻率點上測量結(jié)果中的系統(tǒng)誤差自動扣除。具體的校準方法是,在每個步進點上暫時將信號源頻率固定不變,用若干個〔S〕參數(shù)已知的校準件接入網(wǎng)絡(luò)分析儀,測出該件的〔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參數(shù)。用這種方法來消除系統(tǒng)誤差,可以彌補儀器硬件設(shè)計中的不足,并且簡化硬件設(shè)計。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)儀器維修知識歡迎訪問安泰維修網(wǎng)。