现代微波技术要求在微波电路的设计和计算中必须准确快速地测量所设计和生产的微波器件及微波网络的各项参数指标,如S参数、驻波比、阻抗、导纳和正反向传输损耗等。目前,集合成源、测试装置、矢量网络分析仪为一体的测试系统,已成为必不可少的测量仪器,它与分体式矢网相比,体积小,便于现场测试,并且减少了许多外部连接电缆,提高了仪器的可靠性,从而得到了广泛的应用。

　　图1矢量网络分析仪原理框图

1、矢量网络分析仪的工作原理微波矢量网络分析仪主要由合成扫源(激励源)、测试装置(信号分离部分)、接收部分、微处理器四大部分组成,原理框图如图1所示。其基本工作原理是:先将激励源的信号分成二路,一路作为参考信号R,另一路经过衰减送入测试端口作为被测网络的激励源,并通过定向耦合器取出,经过被测网络的反射信号A和传输信号B后作为测试信号,再用采样变频法将该两路微波信号中所包含的幅度和相位信息线性地转移到中频或低频上,进行幅度和相位关系的测量,变频还有利于在很宽频带内实现连续和步进扫频测量,以显示出被测网络的各种参数随频率变化的情况。下面以HP公司的HP8720C为例,分析其各部分的工作原理及有关特点。

2、合成扫频源部分

图2 合成扫频信号源的原理框图

如图2所示,它主要由参考信号、合成基波发生器和微波合成扫频信号发生器YIG等组成。参考信号由频率稳定度极高的石英晶体振荡器产生,并由此频率再产生不同频率的信号去分别同步基波发生器及合成扫频发生器等,使它们所产生的工作频率保持同晶振一样的准确度和稳定度,达到仪器所满足的频率指标。基波发生器产生频率为60～240MHz的N分数合成基波信号,驱动阶跃二极管产生梳状的采样脉冲,由于梳状的采样脉冲具有非常丰富的谐波,而且采样脉冲的谐波幅度与基波幅度一样,其可用谐波的上限达几十GHz。用它来作为网络分析仪接收部分的第一本振源,这样就使扫频信号源在扫频全程中中频幅度保持不变,从而达到在变频中信号的幅度和相位信息保持不变的目的。微波扫频振荡器用YIG(Yttrium-iron-garnet)作振荡源,YIG首先产生一个2.25GHz～20GHz的信号,然后再经下变频器产生一个0.50GHz～2.25GHz的信号,使信号源达到了0.50GHz～20GHz的全程信号;该YIG的频率是由接收部分参考通道R的第一中频信号,取出一反馈与参考信号在鉴相器里比较后输出一个直流误差电压来修正其振荡频率而达到锁相的目的。目前,合成扫频源都采用YIG作振荡源,因为其振荡频率与它的驱动电流能保持很好的线性关系,即它能保证扫频时频率保持良好的线性关系,并用内部计算机来设定信号源每步频率,将振荡器频率设定为应有的准确数值,在锁相环保持中频为恒定值的同时便自然地保证了扫频源每步频率等于指定值,其重复性优于100Hz,从而使扫频源的稳定度和分辨率达到频率合成器的水平,满足了测量的需要。

1.1信号分离部分

图3信号分离部分框图信号分离部分框图如图3所示,

激励信号首先经一个衰减量为6dB电阻性的功率分配器对信号进行分离,这里,利用该功率分配器的好处是频率范围宽,与信号源之间的匹配性能良好,但同时也牺牲了一定的信号功率。一路作为参考信号R直接送入接收部分的R采样器,另一路作为激励信号送入信号测试端口。该路激励信号首先经可程控的0～70dB的步进衰减器(以增加信号测量的动态范围),再通过一程控微波开关以选择正向(信号流向端口1)来进行参数S11、S21的测量或反向(信号流向端口2)来进行参数S12、S22的测量:若信号经端口1送入被测网络,通过被测网络反射信号经端口1的定向耦合器耦合后送入接收机的A通道,与参考通道R的信号相比较(即A/R)测量其反射参数S11;通过被测网络传输信号经端口2的定向耦合器耦合后进入接收机的B通道,与参考信号R相比较(即B/R)测量其传输参数S21。反之,信号经端口2送入被测网络,即为S12反向传输参数的测量和S22的反向反射参数测量。

　　1.2信号接收部分

接收部分的框图如图4所示。由信号分离电路来的R、A、B信号分别通过各自的采样器(第一混频器)与第一本振(采样脉冲)相混频后变为第一中频(10MHz),第一中频的计算公式为IF=N×VCO—fs,式中VCO是频率为60MHz～240MHz的基波,N为其谐波,fs为被测射频信号。经中频滤波器滤波,再与第二本振(9.996MHz)相混频后产生第二中频(4kHz)的最终中频,该中频信号经程控多路开关在ADC电路分离出被测信号的幅度和相位信息,由于R通道的信号是被源锁相的,A、B通道的信号相对再经微处理器处理后,最终在显示器(CRT)上显示出所测量的信号来。这样就利用较窄的接收波段和带通滤波器,有效提高了测量灵敏度,降低了噪声电平,同时也增加了测量的动态范围。

图4 接收部分原理框图

　　1.3微处理部分微处理器主要实现矢量网络分析仪的全自动化操作,并计算和处理所测信号,即通过测量A/R、B/R,自动换算出网络测量的各种参数,经数据处理后显示出来。还可以利用其强大的计算功能来消除测量误差,即系统误差。误差修正过程称为校准,即把那些频率点上的误差模型参数测量出来存于存贮器中,之后将每个步进频率点上测量结果中的系统误差自动扣除。具体的校准方法是,在每个步进点上暂时将信号源频率固定不变,用若干个〔S〕参数已知的校准件接入网络分析仪,测出该件的〔S′〕值来得到足够多数目的方程,这样便可解出误差模型中的全部待测参数。用这种方法来消除系统误差,可以弥补仪器硬件设计中的不足,并且简化硬件设计。