相參源矢量網絡分析儀在教學中的應用

馬延軍

(西安科技大學 通信與信息工程學院, 陜西 西安　710054)

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相參源矢量網絡分析儀在教學中的應用

馬延軍

(西安科技大學 通信與信息工程學院, 陜西 西安710054)

利用自行設計的相參源矢量網絡分析儀,在高頻電子線路課程中進行了實例教學。利用該儀器,對高頻器件特性阻抗進行了實際測試。通過實驗,學生對高頻電子線路有了直觀的認識。由于所設計的矢量網絡分析儀成本低廉,可廣泛應用到課堂教學上,極大提高了學生的學習興趣,提高了教學效果。

高頻電子線路； 傳輸特性； 矢量網絡分析儀

矢量網絡分析儀是微波與通信系統測試的關鍵設備,可廣泛應用于4G/5G移動通信、軍工、科研教育等領域[1-6]。其涉及到大量的微波器件、信號處理及校準算法,系統高度復雜且體積笨重[7-12]。其代表性產品有安捷倫公司的PNA系列產品、國內41所的系列產品等。然而,這些產品大都體積笨重或者成本高昂,很難于在工業生產及測試中大量采用。本文首先采用若干高度集成的芯片，并利用計算機作為上位機設計了一款輕小實用的矢量網絡分析儀。儀器內置異頻相參信號源,在頻率調諧時候,兩路相參合成信號源保持固定的頻差,此頻差作為中頻信號并進一步下變頻到零中頻后,進行相位及幅度的檢測,最終在上位機完成數據處理及顯示。

在高頻電子線路的教學中,首先學習的就是高頻元器件的特性,純粹的理論分析非常枯燥。因此,利用此矢量網絡分析儀設計了若干實驗進行課程演示。使學生對高頻電子線路有了直觀的認識,增加了學習興趣。進一步有助于課堂教學效果的提高。

1　異頻相參源的矢量網絡分析儀

1.1矢量網絡分析儀基本原理

圖1是矢量網絡分析儀的基本原理示意圖[2],由圖可見矢量網絡分析儀有一個激勵源及若干個接收機組成。激勵源在開關的控制下分別由端口1(Port1)或者端口2(Port2)對外輸出,加載到待測器件上面。激勵信號通過待測器件后,再通過定向耦合器進入到a1、a2、b1、b2等接收機,信號經過中頻處理后,計算得到其S參數(散射參數),包括S11, S12, S21, S22等[3]。在進行S參數計算時候,通常需要一系列的校準算法以消除系統誤差[8-10]。

圖1　矢量網絡分析儀的基本原理示意圖

1.2相參源矢量網絡分析儀

基于相參源的矢量網絡分析儀(見圖2)實現了關鍵的激勵源及接收機部分并通過傳輸測試完成系統功能的驗證。相參源矢量網絡分析儀其主要特點在于內置兩個同相信號源及零中頻接收機的設計。相參源矢量網絡分析儀分為源與接收機兩個主要部分。圖2中上面部分為源,下面部分為接收機。參考時鐘(REF)為整個系統的參考源,為整機提供相位參考，其頻率記為fREF,相位為pREF。射頻信號源對外輸出射頻激勵信號,其相位與參考時鐘保持一致,其頻率與相位分別記為fRF和pRF。接收機射頻信號源其相位也與參考時鐘保持一致,用作本振信號，其相位在控制信號的控制下,可以進行90°、180°、270°等變化,其頻率與相位分別記為fLO和pLO。

圖2　相參源矢量網絡分析儀

工作原理:

(1) 控制數字頻率合成信號源fREF1=fREF2,且pREF1=pREF2；

(2) 控制合成信號源fRF=fLO,pLO=pRF；

(3) 信號經過DUT后進入混頻器MIX1,與接收機射頻信號(LO)混頻后并濾波后得到零中頻的同相分量ZIF0；

(4) 控制本振信號源使pRF-pLO=π/2,即LO相位變化π/2,得到零中頻的正交分量ZIF90。同理,分別得到ZIF180及ZIF270；

(5) 零中頻信號經過A/D轉換后傳輸到上位機,上位機PC利用ZIF0、ZIF90、ZIF180和ZIF270進行傳輸特性的計算；

(6) 返回到(1)繼續進行下一個頻點的計算。

2　系統測試及其在教學中的實例

2.1系統動態范圍測試

圖3為系統的動態范圍測試結果。可以看到在整個頻段其動態范圍大于100 dB。利用此設備,可以較好地完成各類測試。

圖3　系統動態范圍測試結果

2.2高頻器件特性測試

拉桿天線是FM收音機、電視接收機常用的接收天線,圖4所示為進行的拉桿天線S11測試結果,測試頻率為1～200 MHz。從圖中可以看到,此天線表現出明顯的電容特性。

圖4　拉桿天線測試結果

從匹配的角度來看,可以串聯電感以抵消容抗。圖5給出此拉桿天線經過串聯電感后的測試結果。可以得到大概在27 MHz取得匹配。

圖5　拉桿天線匹配測試圖

2.3LC諧振回路特性測試

圖6為LC諧振回路的導納參數。有圖可見,此回路諧振頻率為16.54 MHz,其3 dB帶寬為0.135 MHz,矩形系數約為10,與理論分析計算基本吻合。

圖6　LC諧振回路導納測試結果

3　結語

充分利用現有的高度集成的芯片,設計了一款矢量網絡分析儀,其成本低廉且便于攜帶,可廣泛應用到課堂教學上。進一步設計了高頻器件的測試實例與LC諧振回路的分析計算。通過這些直觀的展示,枯燥的理論變得生動有趣,從而激發了學生的學習興趣。

References)

[1] Dunsmorf J P. Handbook of microwave component measurements with advanced VNA techniques [M].United Kingdom: John Wiley & Sons Ltd, 2012.

[2] Teppati V, Ferroro A, Sayed M. Modern RF and microwave measurement techniques [M]. New York: Cambridge university Press, 2013.

[3] Nelson C. High-frequency and microwave circuit design[M]. Boca Raton: CRC Press, 2007.

[4] Isaksson M, Zenteno E. A synthetic vector network analyzing measurement system [J]. IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, 2011, 60(6):2154-2161.

[5] 孫志為. 矢量網絡分析儀擴頻技術研究[D].成都:電子科技大學,2010.

[6] 亓國慶. 高精度矢量網絡分析儀混頻接收機設計技術[D].西安:西安電子科技大學,2007.

[7] 胡楚鋒,許家棟,李南京,等. 基于矢量網絡分析儀的目標極化散射特性測量與校準[J]. 西北工業大學學報, 2010, 28(3):349-352.

[8] 趙永久. 多端口矢量網絡分析儀校準技術研究[D].南京:南京航空航天大學,2011.

[9] 王琦. 現代矢量網絡分析儀的校準與測量[J]. 實驗技術與管理, 2006,23(2):31-34.

[10] 趙偉, 趙永久, 袁春花,等. 一種基于10項誤差模型的二端口矢量網絡分析儀校準方法[J]. 電子學報,2011, 39(10):2469-2473.

[11] Lewandowski A, Wiatr W, Barmuta P. Offset-short vector-network-analyzer calibration with simultaneous modeling of calibration standards[C]//Microwave Measurement Conference (ARFTG).2014 84th ARFTG, 2014:1-4.

[12] 尚贊玉. 矢量網絡分析儀校準新算法的研究[D].西安:西安電子科技大學,2014.

Application of vector network analyzer in teaching based on different frequency sources with coherent-phase

Ma Yanjun

(College of Communication and Information Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

It is very complex and usually expensive. A low-cost portable vector network analyzer is designed and implemented, and it is used in the teaching of high-frequency circuits. Experiments are designed using this VNA, where the characters of high frequency components are tested. Through these experiments, the abstract concepts are visualized, and students have more interests on this course. It can be widely used in the teaching of high frequency circuits.

high-frequency circuit; transmission characteristic； vector network analyzer

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.027

2015- 09- 02修改日期：2015- 11- 04

陜西省教育廳自然科學研究項目(15JK1470, 15JK1463);西安科技大學培育基金(201355,2014074);西安科技大學2015年大學生創新創業訓練計劃項目(201510704082)

馬延軍(1978—)，男，山東萊蕪，博士，講師，主要研究方向為移動通信與軟件無線電等.

E-mail：bj_ma@126.com

TM93;G642

B

1002-4956(2016)4- 0097- 03