（无线电物理专业论文）矢量网络分析仪的误差分析和处理.pdf

摘要 本论文研究是基于对低价位矢量网络分析仪的开发需求，通过对国内外的矢 量网络分析仪的发展现状和各种校准方法的调查分析，提出了一种在1 g h z 到 2 g h z 频段的二端口的s 参数的硬件测量系统方案，该方案的突出特点是：电路 较为简单、不需要使用变频技术。基于这种射频矢量网络参数测量系统，研究了 其各部分的误差来源，并建立了误差网络模型，根据误差模型选用了合理的校准 方法。并根据对整个测量系统的校准和测量的步骤以及用户的需求等因素的考 虑，开发了该射频矢量网络分析仪应用程序。本文的研究内容概括起来，分为以 下几个部分： 通过研究各种是矢量网络分析仪的原理和对仪器系统的复杂程度的分析， 提出了射频矢量网络分析仪的系统方案，给出了其系统框图，并详细分析 整个系统的测量原理。 根据硬件系统框图，对射频微带电路、幅相检测接收机和测试夹具等各部 分详细她分析了其误差来源，对射频微带电路和测试夹具分别建立误差网 络模型并校准，对幅相检测接收机的非线性误差进行了补偿。 最后根据一般矢量网络分析仪的用户使用需求，分析、设计和实现了射频 矢量网路分析仪的应用程序。整个应用程序软件的组成分为：人机交互界 面部分、数据处理部分、图形界面的显示部分和串口通信部分等四个部分。 其中关键的部分是s 参数的求解，图形的显示，尤其是s m i t h 圆图的绘制， 以及计算机上与单片机的串口通信的实现。 进行射频矢量网络分析仪软件系统的测试，并分析了测量结果，为进一步 改进提出了指导方向。 关键词：矢量网络分析仪、s 参数、误差分析、校准补偿、m f c a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo f m e a s u r e m e n ta n dc a l i b r a t i o no f t h ev e c t o r n e t w o r ka n a l y z e r ( v n a ) ，a n dd e s c r i b e si n & t a i lt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h e s y s t e ms o r w a r ei nv e c t o rn e t w o r ka n a l y z c r ( v n a ) w h i c hm a i n l yc o n s i s t so ft h e r e q u i r e m e n ta n a l y s i so ft h es y s t e ms o f t , r a r e ，t h es o f t w a r es t r u c t u r ea n a l y s i sa n d d e t a i l e dd e s i g n , t h ek e yt e c h n i q u e su t i l i z e di nt h es o f t w a r ed e s i g n , t h es - p a r a m e t e r a l g o r i t l u na st h ec o f ct e c h n i q u ei nv n a t h ep a p e rc o n d u c t sat h o r o u g hr e s e a r c ho f t h em e t h o da n dp r i n c i p l e si nv n a m e o 噶r r e m e l l t , a n dp e r f o r m s7 d e t a i l e dr e q u i r e m e n ta n a l y s i so fs y s t e ms o f t w a r er e l y i n g o nt h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e b a s e do nt h er e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，ad e t a i l e dl a y e r e d d e s i g ni sp u tf o r w a r d ，w h i c hp a r t i t i o n e dt h es y s t e ms o f t w a r ea st h r e ep a r t s ：u s g r 面 【c 赶b c e ，d a t ap r o c e s s i n g ，c o m m u n i c a t i o n t h eu s e ri n t e r f a c ei sd e v e l o p e dw i t hm f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ) i nt h e v i s u a lc 抖d e v e l o pe n v i r o m e n t , i n c l u d i n gm e n u , v i e wa r e a , m e a s u r e m e n t i n f o r m a t i o nc o n f i g u r a t i o na r e aa n dm e a s u r e l l l e n ti n f o r m a t i o nd i s p l a ya r e a t h ed a t a p r o c e s s i n gp a r ti n c l u d e sc a l i b r a t i o na l g o r i t h m , s m i t hc h a r td c s i g n i n g ，s - p a r a m e t e r a l g o r i t h m ，e t e t h ed a t as t r u c t u r ep a r t i t i o n i n gi nt h es o f t w a r ed e s i g nl a r g e l yu t i l i z e s s t r u c t u r a ld e s i g na n dm o d u l a r i z e di m p l e m e n t a t i o n t h ec o m m u n i c a t i o ni su s i n gt h e s o f i a li n t e r f a c eo nt h ec o m p u t e r i ti sp r o v e dt h es y s t e mc a na c h i e v et h em e a s u r e m e n tb yp r a c t i c a lt e s t i n ga n dt h e t e s t i n gr e s u l ti sc o r r e c tb a s i c a l l y i nt h ee n d ，a n a n l y z i n gt h ep r a c t i c a lt e s t i n gr e s u l t a n dm a k em e n t i o no f s o m ep r o b l e mw h i c hc a l lb ei m p r o v e d k e y w o r d s ：v e c t o rn e t w o r ka n a l y z e l n a ) 、s - p a r a m e t e r 、e r r o ra n a l y s i s 、 e a f i b e r a t i o nc o m p e n s a t i o n 、m i e r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ( m f c ) 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：兰墨重日期：坦乙z 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名： 日期：至墨蜜 铫龟多婚 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本论文研究的背景和意义 在微波电路设计与计算中，必须充分掌握元器件的特性参数，即必须对表述 元器件特性的全部网络参数进行全面测量，才能进行可靠的设计。目前在微波元 器件中，包括微波晶体管在内，大多数采用散射参量表征它们的特性。迄今为止， 微波元器件散射参量的测量主要依靠实验方法测量 1 2 。在早期只能采用点频 测量，即在一个或多个固定频率点上进行，测量较为简单，因此对测量设备的性 能要求不是很高。随着系统及元器件逐步向宽频带方向发展，常常需要在所要求 的宽频带内多个频率点上进行测量才能了解被测器件的宽频带特性。早期的测量 设备不仅只能做点频测量，而且每频率点测量所消耗的时间也比较长，这样在测 量宽频带器件时就显得非常繁琐，工作效率低，并且由于测量频率点选取的疏密 不同而影响测量结果，特别是对于某些特性曲线的锐变部分以及个别失常点，很 可能由于测量频率点选取不到而使得测量结果不能反映真实结果。直到2 0 世纪 6 0 年代，出现了能在很宽的频带内扫频测量，并显示网络全部散射参数的幅度 和相位值的微波网络分析仪。其后又迸一步发展为能有计算机控制，在一系列步 进频点上测量网络参数并能自动扣除误差和处理数据的自动网络分析仪 3 4 ， 大大提高了工作效率和测试质量。 矢量网络分析仪是通过测量元件对频率扫描和功率扫描测试信号的幅度与 相位响应，来精确表征元件特性 5 ，具有测量频带宽、精度高、速度快等特点。 而且随着微波网络分析理论与技术的发展，以及采用高速微处理器和现代数字信 号处理等技术，现代微波矢量网络分析仪在测量速度、精度、易用性和适应性等 方面与早期相比发生了根本的变化，它已经成为现代电子装备必备的、关键的测 试设备，是其他测试设备无法取代的重要检测手段，如天线和微波毫米波器件的 测量，微波脉冲特性测量，光电特性测量等，已广泛的应用于微波技术、无线通 信、光通信等领域 4 。除此之外，矢量网络分析仪已走出传统的线性网络的应 用领域，而在非线性、大功率网络的测试和分析中发挥着重要作用 6 。 矢量网络分析仪按照测量的频率范围可以分为低频网络分析仪、高频网络分 析仪和微波、射频分析仪 7 。不同频率范围的网络分析仪所测量的网络参数也 不同。低频和高频网络分析仪主要用于测量线性非时变网络的频率特性，包括幅 频特性和相频特性。微波、射频分析仪主要用于测量线性与非线性网络的特性， 例如s 参数，传输和反射信号的幅度、相位和群延迟，微波元件的绝对输入和输 华东师范大学硕士学位论文 出功率等。， 矢量网络分析仪具有强大的测试功能，但是矢量网络分析仪的硬件不可能是 完美无缺的，因此，在进行测试时会产生测量误差，误差包括系统误差、随机误 差和漂移误差 8 。随机误差主要由于仪表本身噪声( 采样器噪声及i f 噪声) 、开 关及连接器的重复性引起，可以通过增加信号源功率、减小i f 带宽等方法减小误 差。漂移误差主要由于温度变化引起，可通过增加校准来消除。系统误差由于实 际测试设备的不理想引起，这类误差通常认为不随时间变化，具有可重复性、可 预测性，在测量过程中通过校准可以消除。因此在用矢量网络分析仪进行测量之 前，往往通过误差修正技术以补偿硬件的不理想性，通过对仪表内部及与其连接 的测试系统进行校准，使测量误差降低到最小程度，提高矢量网络分析仪的测量 准确性和精度。 目前矢量网络分析仪的误差模型和校准程序，都是建立在二端口误差网络模 型来表征系统误差 9 ，认为误差网络存在与理想的矢量网络分析仪和测试面之 间，通过二端口网络的计算来推导出误差项与测量值及真值之间的关系。在实际 的校准中，必须准备好相应的标准件，我们认为标准件的s 参数是理想的，如接 短路标准件，则认为其s l l 的真值为一1 。在建立误差模型中有由多少个误差项， 就需要通过测量标准件得到相应多的测量值，由误差项与测量值及真值之间的关 系可解多元方程求得所有的误差项。由此我们就得到了系统误差，按照误差与测 量值及真值之间的关系，便可以由对待测件d u t 的测量推导出其s 参数的真值。 实际的误差校准技术有o s l ( o p e n - s h o r t - l o a d ) 校准、t s d ( t h r us h o r td e l a y ) 校准、t r l ( t h r ur e f l e c tl i n e ) 校准技术和l r l ( l i n er e f l e c tl i n e ) 技术等几 种校准方法 1 0 。这些校准方法由于其误差网络模型会有所不同，故其实际运算 和校准过程的复杂程度和有效性都会有所不同。根据不同的硬件电路和对测量精 确程度的要求，并考虑不同校准的复杂程度，来采用相应的校准方法。 1 2 国内外矢量网络分析仪的发展现状 目前，世界上测量仪器的主要供应商是美国a g i l e n t 公司。a g i l e n t 的矢量 网络分析仪主要有p n a 和e n a 两个系列 1 1 。p n a 系列的微波网络分析仪的扫频 范围为3 0 0 k h zt ol l og h z ，动态范围可以达到1 3 6 d b ，具有时域测量功能，采用 t r l 法校准，p n a 仪器受到在开放环境下的w i n d o w s 操作系统的强大支持，从而 允许用户运行仪器内部的任何兼容软件，且使仪器成为企业网的一部分。e n a 系 列的射频网络分析仪 1 2 的扫频范围为3 0 0k h zt o8 5g h z ，1 2 2 d b 的动态范围， 可进行准确、快速和多口网络的s 参数测量以及时域测量。 2 0 0 4 年安捷伦科技公司推出能提供适合于基本网络分析的性能特性的 2 华东师范大学硕士学位论文 雕a _ l 和p n a l 矢量网络分析仪。该系列网络分析仪的价格远远低于e n a 和p n a 系列。p n a l 可以实现直到5 0 g h z 的高速测量，在2 0 g h z 处的动态范围为 1 0 8 d b ，测量速度小于9 s 测试点，3 2 个测量通道，每条迹线多达1 6 0 0 1 个 测试点，多达1 6 个同时显示的窗口，具备u s b 接口。e n a l ：用于生产测试的 基本射频网络分析，用来提供表征有源和无源器件，如滤波器、放大器、天线、电 缆，有线电视分接头和分布式放大器所需的基本功能。e n a l 包括频率覆盖范围 3 0 0 k h z 一1 5 g h z 和3 0 0 k h z - - 3 g h z 的两种低成本型号。e n a l 的动态范围为 1 1 5 d b ，典型扫描时间为3 5 m s 扫描，除线性和功率扫描外，还增加了对数和分 段扫描，带图形用户界面的用于测量自动化的v b a 。 国外除安捷伦公司外，还有w i l t r o n 公司推出的w i l t r o n 3 7 2 0 0 系列一体化矢 量网络分析仪，与a g i l e n t8 7 2 0 系列在功能和技术指标上相当。在低频矢量网络 分析仪的开发方面，还有英国o l a r t r o n 公司的1 2 5 0 系列，它可以作单点、离散正 弦频率扫描，获得被测结构的频响函数数据或频响函数的实验曲线。另外，还有 美国s d 公司的s d 3 7 5 分析仪和法国m e t r a v i b 公司的s y r 6 肥0 2 。 通过探索，目前国内在矢量网络分析仪的理论研究方面已经取得了一些成 果，我国的信息产业部电子第4 1 研究所已成功研制成高水平的矢量网络分析 仪，该仪器最高扫频范围可达1 i o g h z ，其突出特点为：1 、工作频带宽，一次扫 描即可完成4 5 e - l z 4 0 g h z 全频段幅频特性和相频特性的测量；2 、测量精度高， 由于采用误差修正技术，大大减小了系统误差对测量结果的影响，即使采用非理 想的硬件电路，也能获得高精度测量；3 、大动态范围，由于矢量网络分析仪采 用高灵敏度幅相接收机技术和数字信号处理技术，提高了小信号测试灵敏度，拓 展了测试动态范围；4 、高速实时测试，由于采用了嵌入式高速计算机技术，将 测量校准、测量控制、误差修正、显示控制等过程程序化、软件化，提高了自动 化程度和测试速度，使实时测量成为可能 1 3 。 但是我们必须清醒的看到，国内在矢量网络分析仪方面与国外相比还存在一 定差距，不论从技术指标、仪器的稳定性、可靠性还是用户界面的可操作性、外 观等方面都相对有一定欠缺。而且目前国内矢量网络分析仪的产品也不完善，与 a j i l e n t 公司相比，有些产品型号缺乏。而且从市场份额来看，国产网络分析仪 所占份额较小。2 0 0 2 年国内微波测量仪器销售总额为6 0 亿，国外产品占多于9 0 的份额，而国产仪器只占不足1 0 的市场，其中仅美国安捷伦公司占4 0 多 的市场 1 3 。所以国内的企业也加紧研制符合国内需要的矢量网络分析仪。 1 3 本论文研究内容和创新之处 本论文首先提出一种射频矢量网络分析仪的硬件系统框图，研究了该射频矢 华东师范大学硕士学位论文 量网络分析仪射频电路、幅相接收机和测试夹具等各部分误差来源，建立模型， 并校准扣除各种误差参数。根据用户对该射频矢量网络分析仪的使用要求，开发 了该射频矢量网络分析仪的应用程序。 本论文的主要构架为： 第一章主要介绍本文的研究背景及意义，并详细介绍了国内外矢量网络分析 仪的发展现状。 第二章讲述射频矢量网络分析仪的原理。提出了1 g h z 到2 g h z 的射频矢量网 络分析仪的系统结构框图，详细分析幅相接收机的幅相检测原理、射频测量电路 测量反射系数和传输系数的基本原理。 第三章分析射频矢量网络分析仪各部分误差来源和建立误差模型。分别分析 了a d 转换引入的误差、接收机非线性误差、反射传输测量电路的误差和嵌入误 差几种误差。建立了误差网络模型，并以此模型推导出s 参数。最后讨论了针对 该误差模型的校准。 第四章主要是射频矢量网络分析仪的应用软件设计。包括需求分析、结构分 析和界面设计等，最后介绍了面向对象编程思想和w i n d o w s 编程技术。 第五章详细介绍了射频矢量网络分析仪的应用软件的实现。分小节讲述了用 户界面的实现、数据处理的具体问题、图形界面显示的实现和计算机与单片机串 口通信的实现四部分编程的实现。 第六章为结论和问题讨论。 本文的创新之处为： 1 、传统矢量网络分析仪一般使用变频技术，将微波、射频频段的信号搬移到低 频，利用低频技术检测信号的信息。但这类结构非常复杂，本文提出一种与 不需要变频技术，而直接在射频频段进行s 参数测量的硬件系统，大大简化 了硬件电路。 2 、提出了两片幅相接收芯片a d 8 3 0 2 的输入端参考信号相位差的测量方法，并 编程实现了由两片a d 8 3 0 2 测得相位判断s 参数的相位。 3 、编程实现了由s 参数求得其他的网络参数，并且在显示s m i t h 圆图时，可以 读出测量得到的反射系数值和相应归一化阻抗，方便了实际测量。 4 华东师范大学硕士学位论文 第二章：射频矢量网络分析仪的基本原理 任何微波系统中的微波电路都是由若干带有不同端口数的有源及无源元器 件组成，它们可以分别看成单口、双口或多口网络 t 4 。由于多端口元件的测量 通常是将其输入输出以外的端口接良好的匹配负载，而将其视为一个二端口网络 测量之，故二端口网络是微波元件测量中最有代表性的模型，作为网络本身特性 的表征有多种不同的数学表示方法，但在微波测量技术中，用的最多的是散射矩 阵表示法。矢量网络分析仪正是通过测量待测元器件的散射参量来描述其反射和 传输特性。矢量网络分析仪是通过怎样的方法测量待测件的散射参量的呢? 接下 来本章将详细介绍和分析一种射频频段的矢量网络分析仪的结构和原理。为了阐 述射频矢量网络分析仪的基本原理，首先要介绍一下二端口网络散射参量的定义 和其物理意义。 2 1 两端口网络散射参量的定义 在电子工程领域，对于复杂的电路系统，为了研究其输入、输出特性，可以 采用“黑盒子”方法 1 5 ，通过建立网络模型来避开其内部的复杂性和非线性效 应，不必去了解系统内部的结构，而是通过实验来确定输入、输出参数。在研究 射频和微波电路时，这种方法一样可行。 2 1 1 两端口网络的基本定义 一般二端口网络如图6 - 1 所示。 + 图2 - 1 双端口网络的电压、电流定义 在图2 - i 中电压和电流的方向和极性都有一个基本的规定，所有二端口的网 络分析均是基于此的。可以根据图2 - 1 定义该双端口网络的各种参数，如描述该 网络的阻抗导纳特性的阻抗矩阵、导纳矩阵，描述网络级联关系的a b c d 矩阵等， 这些参数的具体定义参见附录a 。 5 华东师范大学硕士学位论文 2 1 2 散射参量 z 1 端口 磁 2 端口 盈之 q口2 双端口 叽巧- + li 寸网络i i fz 图2 2 双端i c i 网络s 参量的规定 在图2 - 2 中z o 。、z 。表示两端口的特性阻抗。a 。表示归一化的入射功率，屯表 示归一化反射功率。口、：表示归一化的入射电压波和电流波，彳r 表示归 一化的反射电压波和电流波，n 为端口编号1 或2 。由图2 - 2 ，第n 端口( n - 1 或2 ) 的入射波幅和出射波幅为： ：善；厨 ( 2 _ l a ) 2 面5 忾。h 心1 引 巩2 东2 厄f 1 则有可以得到电压和电流表达式： 圪= 曙+ 盯= z “( 口。+ 屯) ( 2 2 a ) l = c r = 7 争( 一瓦) ( 2 2 b ) 、厶0 4 则端口n 的总功率为： 只= i 1r e v 。i ： = 詈( b 。1 2 一i b 1 2 ) ( 2 3 ) 在式( 2 4 ) 中前一项为第n 端口的入射波功率= 寻k 1 2 ，后一项为反射波 功率杖= 丢b 1 2 。 归一化的散射参数定义为： 6 华东师范大学硕士学位论文 阱匮地) ( 2 - 4 ) s n = 刽0 器滕 协s a ， s ：- 2 纠。2 禚 c z s n ， 2 地2 器燃 协s c ， s n 2 纠。2 糕 c z s a ， 注意口。= o 和口：= o 的条件，可见，只有在4 个s 参数只能在两端口网络两 端传输线均匹配的情况下才可以测定的。由式( 2 5 ) 可知s 参数的物理意义：蜀， 和s 。分别表示1 端口和2 端口的反射系数；。和墨：分别表示1 端口到2 端口 和2 端口罩i ii 端口的佶揣虿新 2 2 射频矢量网络分析仪的系统框图设计及其原理 由2 1 节可知，要测量二端口的4 个s 参数，实际上就是测量反射波、传输 波和入射波。目前比较成功的矢量网络分析仪大都属于频率转移式方案 1 2 1 4 ，就是将接在微波电路中的被测网络，通过信号分离电路取出它的入 射波信号的一部分作为参考信号，同时取出其反射波信号或传输波信号的一部分 作为测试信号，再用某种频率转移方法( 包括单边带调制、调制副载波、外差变 频及采样变频等) 将该两路微波信号中所包含的幅度和相位信息线性的转移到较 低的中频或低频上，以便于较好的进行幅度和相位关系的测量。这样做也有利于 在很宽频带内实现连续或步进扫频测量，以显示待测网络的s 参数随频率的变化 情况。但上述这种矢量网络分析仪的原理和结构大多比较复杂，且价格昂贵。经 过对目前国内外一些在矢量网络分析仪方面的研究的分析 1 6 1 9 ，我们提出 来了一种较为简单的射频矢量网络分析仪的方案，不需要频率转移而直接提取待 测件( d u t ) 的幅度和相位信息，关键是使用0 2 7 g h z 的幅度相位检测芯片 t d 8 3 0 2 ，本文的研究正是基于这种较为简单的射频电路设计。下面介绍一下这种 射频矢量网络分析仪的结构，并分析其基本的工作原理。 7 华东师范大学硕士学位论文 2 2 1 射频矢量网络分析仪的系统框图设计 图2 - 3 系统原理框图 射频矢量网络分析仪的具体的系统框图如图2 - 3 所示。测量电路核心是两片 射频幅度相位检测器( a d 8 3 0 2 ) ，它们是用于检测输入的测量得到得反射传输 信号和参考信号的幅度比值和相位差值。定向耦合器作为信号分离元件既从源信 号中将参考信号和用于测试的信号分离，又从待测件两端将测试信号和反射传 一输信号分离。另外由于采用两片幅度相位检测器，需要两路正交的参考信号 2 0 和测量得到得反射传输信号，故采用了正交移相器和功分器。前者将源信号经 过功分器一分为二的信号转换为相位正交的信号，分别作为两片幅度相位检测 器的输入信号：后者既将源信号一分为二，又将测量得到的反射或传输信号一 分为二，分别送给两片幅度相位检测器的输入端。由于只采用了一个开关 h m c 4 3 5 m s 8 g ，所以在测量二端口网络时，实际上只能一次测量s 参数的两个参数 s l l 和s 2 1 ，分别正向、反向各测一次才能得到四个s 参数。 华东师范大学硕士学位论文 2 2 2 幅相检测芯片( a 1 ) 8 3 0 2 ) 的幅相检测原理 a d 8 3 0 2 是一片r f i f 幅度和相位检测芯片，a d 8 3 0 2 是用于r f i f 幅度和相位 测量的首款单片集成电路，主要由精密匹配的两个宽带对数检波器、一个相位检 波器、输出放大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器等部分组成，能 同时测量从低频到2 7 g h z 频率范围内的两输入信号之间的幅度比和相位差。该器 件将精密匹配的两个对数检波器集成在一块芯片上，因而可将误差源及相关温度 漂移减小到最低限度，幅度测量的动态范围扩展到6 0 d b ，而相位测量范围可达1 8 0 度 2 1 2 2 。 a d 8 3 0 2 的幅度检测的数学模型为： 。= l o g , o ( ) 其中p r 删、分别是两路输入信号的电压，为斜率，g 表示a d 8 3 0 2 的 v m a g 引脚的输出的电压，与输入的两路信号a 、b 的幅度( d b ) 差成正比。 a d 8 3 0 2 的相位检测的数学模型为： = p ( ) 一( ) 】 其中西( p 如) 、m ( ) 分别表示a 、b 两路输入信号的相位，单位是度，p 玉为斜 率，巧m 表示a d 8 3 0 2 的v p h s 引脚的输出电压，与输入的两路信号a 、b 的相位 差成比例。 a d 8 3 0 2 理想的幅度和相位测量转移特性曲线见图2 4 。 j a 艏h n 量 m d b 图2 4 ( a ) 幅度相位检测器a d 8 3 0 2 的理想幅度转移特性曲线 9 华东师范大学硕士学位论文 图2 - 4 ( b ) 幅度相位检测器a d 8 3 0 2 的理想相位转移特性曲线 由输出电压a g 与幅度比的关系曲线可知，只要得到检测器a d 8 3 0 2 的v m a g 引脚电压值( 0 1 8 v ) ，就可以由曲线得到两路输入信号的幅度比，在我们的测 量电路中就是测试信号与参考信号的幅度比值。 由输出电压、，p h s 与相位差的关系曲线可知，既是得到检测器a d 8 3 0 2 的v p h s 引脚输出电压值( 0 1 8 v ) ，我们也只能由关系曲线推出两路输入信号的相位之 差的绝对值，无法判断其正负，可见只采用一片a d 8 3 0 2 来检测两路输入信号的 相位差是不可行的，必须采用两路相位不同的信号为参考信号才能判断出测试信 号的相位。在我们的测量电路中，采用了i 、q 两路正交的参考信号分别作为两 片a d 8 3 0 2 的输入信号，而将测试信号通过功分器( 2 ) 一分为二分别作为两片 a d 8 3 0 2 的另一个输入信号。这样我们根据幅相接收机a d 8 3 0 2 ( 2 ) 可得到测试信 号相对于参考信号q 的相位差的绝对值，再由幅相接收机a d 8 3 0 2 ( 1 ) 得到测试 信号相对于参考信号i 的相位差正值或负值，两片a d 8 3 0 2 得到的值进行比较， 相差9 0 度的测量结果即为实际的测试信号相对于参考信号q 的相位差，具体如 何实现判断在后面详细讨论。 2 2 3 射频矢量网络分析仪的测量s 参数的基本原理 参见整机原理框图2 3 ，虚线内的框图为测量电路部分。反射信号的测量单 元和传输信号的测量单元如图2 - 5 所示。 从信号源端开始分析电路如下。扫频信号源输出的i 一2 g h z 的信号，经过一 个可变衰减器来控制源信号功率，因为待测件d u t 的反射参量s i i 、$ 2 2 和传输 参量s 1 2 、$ 2 1 的幅度可能很大或很小，采用衰减器来调节源信号的功率以此确 保检测器a d 8 3 0 2 工作在动态范围之内。不仅如此，衰减器也可以改善源与后面 电路的匹配。 l o 华东师范大学硕士学位论文 功分器( 1 ) 和正交移相器将从衰减器过来的信号一分为二，分成i 、q 两路 信号，其中q 路信号直接作为参考信号送到幅相接收机a d 8 3 0 2 ( 1 ) 输入端，而 另一路i 路信号则通过定向耦合器( 1 ) 耦合一部分信号作为参考信号送到幅相 接收机a d 8 3 0 2 ( 2 ) 的输入端，而定向耦合器( 1 ) 的直通端将信号通过定向耦 合器( 2 ) 的直通端送给待测件d u t 。 移 移相器 图2 - 5 ( a ) 反射测试单元 图2 5 ( b ) 传输测试单元 测试信号通过两端口的待测件，会有一部分信号反射回来，通过定向耦合器 ( 2 ) 耦合到开关输入端，而另一部分传输信号通过定向耦合器( 3 ) 耦合到开关 的输入端，由此通过开关可使反射信号或传输信号其中一路通过，送幅相检测器。 功分器( 2 ) 的作用是将测量信号一分为二送到两片幅相接受器，以用于相位的 检测、判断。 华东师范大学硕士学位论文 2 2 4 模数转换和单片机部分电路原理 在系统框图2 3 中a d c 转换以及控制电路部分的电路图如图2 - 6 所示。这里 我们采用了3 片8 位串行a dt l c 5 4 9 ，单片机p 8 9 c 5 1 ，以及串口芯片姒】【2 3 2 。 由单片机p 8 9 c 5 1 的p 1 口低3 位和串行a d 转换器t l c 5 4 9 实现8 位a d 转换接 口功能，当在t l c 5 4 9 的c s 端加上低电平后，a d 被启动，此时在c l k 上必须送 入移位脉冲，将s d 上的转换结果经过c 进位送入单片机累加器a 中 2 3 。3 片 a d 转换器模拟输入端分别接幅相接收机a d 8 3 0 2 的输出端，v m a g 和两个v p h s 。 在系统中我们为m c s 一5 1 串行口配置了m a x 2 3 2 器件实现r s 2 3 2 标准信号。单片机 p 8 9 c 5 1 将得到的8 位幅度和相位信息通过串行口送到计算机上，在计算机上进 行数据的处理和图形等结果的显示。而且计算机将控制信号数据通过串口传给单 片机p 8 9 c 5 1 ，进而控制测量电路。 2 3 本章小结 本章介绍了一种射频矢量网络分析仪的结构框图和使用该射频矢量网络分 析仪测量散射参数的基本原理。首先讨论了两端口网络散射参数的定义和散射参 量的物理意义，这是分析矢量网络分析仪的理论基础。之后提出了l g h z 到2 g h z 的射频矢量网络分析仪的系统结构框图，详细分析幅相接收机的幅相检测原理、 射频测量电路测量反射系数和传输系数的基本原理。最后简单分析了模数转换和 后面的数字电路部分的电路图和原理。其中重点是幅相接收机的幅相检测原理和 射频测量电路测量的基本原理，这是下一章分析误差来源的基础。 华东师范大学硕士学位论文 氍暑d ”，三帛啪的犏；咄。甩节勤嘲挪毡路输出瑚凸i 嘲瞎穗脚眙厦p 8 9 c 5 1 图2 - 6 数字部分电路图 华东师范大学硕士学位论文 第三章：射频矢量网络分析仪各种误差分析和校准 在第二章给出了s 参数的定义，由定义可知，二端口网络的s 参数只有在 两端口均完全匹配的系统中测量时，测量结果才准确。在网络分析仪中，既使用了 无源器件( 如微波开关、功率分配器、定向耦合器、衰减器等) ，又使用了有源器 件( 如接收机、微波信号源) 。它们的性能通常并不理想，例如它们的端口阻抗有 一定失配，对信号的传输有一定的衰减和相移，定向耦合器的隔离度也不是无限 大等。我们可以使用数学方法分析网络分析仪及测试装置不理想引起的系统误差， 通过实验方法确定其数值，并利用计算机自动修正 2 4 。下面我们将讨论各种误 差的产生、建立误差数学模型并根据误差产生原因来扣除或补偿各种误差。 3 i 整个测量系统误差分析 由图2 3 射频矢量网络分析仪的硬件系统的构成图，可知该射频矢量网络分 析仪的硬件电路主要分为两个部分：测量系统和单片机电路部分。下面我们分别 分析两部分电路误差源。 3 1 1 射频电路部分分析 射频矢量网络分析仪测量系统存在系统、随机和漂移三种误差源e 2 5 ，影响 测量精确度。随机误差源主要是噪声和接头重复性。噪声包括低电平噪声( 主要 是接收机的宽带噪声) 和高电平噪声( 主要是振荡源的相位噪声) 。前者主要是 通过平均值来减少其影响，后者可以可以采用低相位噪声的合成扫源减少其抖 动。接头重复性对测量低反射系数和低传输系数都有可观察到的变化。连接时， 要注意保持良好的测量习惯，如保持接头清洁和尽量减少连接的随意性等。漂移 误差包括系统中的器件、芯片和扫源都会随环境温度的改变而产生温漂 2 6 。 系统误差是网络分析仪的主要误差来源，消除系统误差主要是分析误差网 络。由于测量电路个元器件( 定向耦合器、功率分配器等) 的不理想特性会引入 误差，即反射测量误差和传输测量误差；由于接收机的幅相检测曲线的非线性， 会引入接收机非线性误差；另外测试夹具( 包括各种转接头) 会引入嵌入误差。 故误差分析主要可以分为反射传输误差网络、嵌入误差网络、接收机非线性误 差等几种误差。这些误差网络如图3 - 1 所示。 1 4 华东师范大学硕士学位论文 图3 - 1 矢量网络分析仪的测量电路部分的误差分析 在3 2 至3 4 节将会分别详细讨论接收机的非线性误差、反射传输误差网 络和嵌入误差。 3 1 2 数字电路部分分析 a d 转换和单片机部分电路图见图2 - 6 所示。由于采用的是8 位串行的a d 转换芯片t l c 5 4 9 ，如果将其参考电平y r e f = 5 v ，则最小测量精度为= 5 v 2 5 5 = 0 0 1 9 6v ，将接收机a d 8 3 0 2 的幅度相位转移图形曲线重新画在下面图 3 - 2 中，可见： 对于幅度：= 0 0 1 9 6 ( v ) = = 0 6 5 3 3 3 ( d b ) 对于相位：= o 0 1 9 6 ( v ) - - 1 9 6 ( d e g r e e ) 1 j r ： j 雠 - m1 ，d i 一蕾 - u s4 1 0 o蝣 啪 雌硝税瑚b l 一籼州 图3 - 2 幅度相位检测器a d 8 3 0 2 的理想幅度转移特性益线 华东师范大学硕士学位论文 由此可知，由于a d 转换引起的幅度误差为0 6 5 3 3 3 ( d b ) ，引起的相位误差 为1 9 6 ( d e g r e e ) 。为了尽量减小这些误差，可以选用大于8 位a d 转换芯片。 如果采用1 2 位的a d 转换器，参考电平仍为v r e f = 5 v ，则最小测量精度为 5 v 4 0 9 6 = 0 0 0 1 2 ( v ) ，由此引起的幅度误差0 0 4 ( d b ) 和相位误差0 1 2 ( d e g r e e ) ， 可见远小于8 位的a d 转换。另一种办法，改变8 位a d 转换芯片的参考电平 v r e f ，t l c 5 4 9 允许v r e f 的范围为2 5 ( v ) 到6 1 ( v ) ，如果选择2 5 ( 、，) ，则最小测 量精度为2 5 v 2 5 5 = 0 0 0 9 8 ( v ) ，相应引起的幅度误差为0 3 2 6 6 6 6 ( d b ) ，引起的 相位误差为0 9 8 ( d e g r e e ) ，与v r e f = 5 v 相比较，有一定的改善。 3 2 幅相检测器件( a d 8 3 0 2 ) 的误差分析 第二章在讨论幅相接收机a d 8 3 0 2 的幅相检测原理时，给出其幅相检测的理 想曲线，如图2 4 所示，可见是线性的，但实际上a d 8 3 0 2 的幅相检测的曲线并 非线性，而且随温度，输入的信号的功率等因素而变化，这些都会引入误差。下 面先来详细分析a d 8 3 0 2 的特性。 3 2 1 幅相接受芯片( 加8 3 0 2 ) 的特性 2 2 】 a d 8 3 0 2 内部包含2 个精密匹配的宽带对数放大器、1 个宽带相位检测器、 i 8 v 精密基准源，以及模拟标定电路和接口电路，能同时测量从低频到2 7 g h z 频率范围内2 个输入信号之间的增益( 亦称幅度比) 和相位差。 测量增益时，2 个输入信号的动态范围为3 0 d b ，输出电平的灵敏度为 3 0 m v d b ，误差小于0 5 d b 。对应于一3 0 d b 的输出电压为3 0 v ，而对应于+ 3 0 d b 的输出电压为1 8 v 。输出电流为8 m a ，转换速率为2 5 v l ls 。 测量相位差的范围是0 。1 8 0 。，对应的输出电压变化范围是0 v 1 8 v ， 输出电压灵敏度为1 0 m v 度，测量误差小于0 5 。当相位差a 币= o 。时，输出电 压为1 - 8 v ：当巾= 1 8 0 。时，输出电压为3 0 m v ，输出电流为8 m a 。 在第二章中我们简单介绍了a d 8 3 0 2 这款芯片的主要幅相接受原理，也给出 了其v m a g 、v p h s 两个引脚输出的0 - i 8 v 直流电压分别与两个输入端幅度比( d b ) 和相位差( d e g r e e ) 的理想关系曲线，如图2 - 4 。实际上a d 8 3 0 2 的转移特性曲 线是与输入两个信号频率、输入参考端信号的电平、环境温度等因素有关的，并 随之而改变。以幅度输出v m a g 与两个输入端幅度比的关系曲线为例，如图3 - 3 可见转移特性曲线在输入幅度比较接近的部分是基本线性的关系，但在幅度比大 于2 5 d b 明显成非线性关系。 1 6 华东师范大学硕士学位论文 1 i 划 尹陡k 缃 、 、 、 、 、 z 鼬 i 、 ) 心鱼一 叩铀， 图3 - 3 幅度输出v m a g 与两个输入端幅度比蹦。的关系 参考电平岛= 一3 0 d b m ，频率分别为9 0 0 m i - i z 、1 9 0 0 m h z 、2 2 0 0 m h z 、温度2 5 0 c 在图3 3 中，横坐标为。得对数值，删。相当于是入射波功 率与反射传输波功率的比值，所以由接收机输出端直流信号( o - 1 8 v ) 按曲线 反推得到输入端幅度比( y 茹。，巧聊| 的对数值) ，实际的s 参数的测量值应该为 其相反数。 由图3 - 3 可见，在输入幅度比超过2 2 d b ，随着频率的升高，会产生一定的 误差，引入误差大约在2 d b 以下。而且图3 - 3 的关系曲线还会随温度和参考电平 等因素的变化而有所偏移，在测量时应该选用温度接近室温2 5 0 c 左右，输入参 考电平尸丢为- - 3 0 d b m ，以减小温度漂移误差的产生。 如图3 - 4 为输出电压与输入端相差关系曲线。可见在0 度和1 8 0 度左右不满 足线性关系。当频率从9 0 0 m h z 到2 2 0 0 m h z ( 实际需要1 g h z 到2 g h z ) 时，在输入 的相位差接近0 度和士1 8 0 度时会产生接近1 0 度的相位偏差。随着温度等因素 的变化，相位与输入相差间曲线也会有所变化，在测量时尽量接近室温。 1 7 华东师范大学硕士学位论文 1 0囊l ：h 然曩删】妇 鼢1 1t 呻哺 f i l 。 l 如2 小啪嘲i ? 。 i i i 岁 咚 图3 - 4相位输出v p h s 与两个输入端相位差的关系 输入电平- 3 0 d b m ，频率分别为1 0 0 m h z 、9 0 0 m h z 、1 9 0 0 e - i z 、2 2 0 0 m h z 、2 7 0 0 m h z 前面介绍了幅相接受芯片a d 8 3 0 2 的特性，由其输入输出转移特性曲线可见， 其在测量幅度时会在输入幅度比大于2 2 d b 时随频率升高会产生曲线的偏移，由 此会引入小于2 d b 的误差；而在测相位差时会在相位差接近o 度和士1 8 0 度引入 1 0 度的偏差。接下来讨论如何补偿这些曲线随不同频率而引起的偏移和非线性 引入的误差。 3 2 2 接收机非线性的补偿 在3 2 1 节中分析的接