Copper Mountain Technologies USB矢量网络分析仪
什么是矢量网络分析仪（VNA) ?
USB 矢量网络分析仪可产生 9 kHz 至 330 GHz 的射频激励信号。该信号可应用于被测设备（DUT），DUT 的输出可应用于第二个端口进行分析。此外，还可以分析从被测设备输入端传回源端口的任何反射信号。这就是该设备与其他测试设备的不同之处–它能够分离传输线上两个不同方向的信号，并对其进行测量。
矢量网络分析仪有哪些功能，如何工作？
图 1 显示了 USB 矢量网络分析仪的简化框图。图中所示的端口 1 和端口 2 电桥是分离正向和反向射频波的元件。接收器 R1 和 R2 只传递从端口 1 或 2 传出的一个波样。接收器 A 和 B 只传递进入端口 1 或 2 的波的样本。请注意，任何时候都只有三个接收器处于活动状态。当刺激信号切换到端口 1 时，接收器 R1 处于激活状态；当刺激信号切换到端口 2 时，接收器 R2 处于激活状态。
当刺激信号切换到端口 1 时，反射接收器 A 和 B 上的信号幅度和相位将归一化为刺激接收器 R1。这样，刺激信号的绝对输出功率就无关紧要了。同样，当激励信号切换到端口 2 时，测量值 A 和 B 将归一化为接收器 R2。
通过了解两侧的传输和反射信号（S 参数），可以预测线性 DUT 在任何信号源和负载阻抗下的性能。
图 1 – VNA 框图，带驱动端口 1 反射
矢量网络分析仪的工作原理是什么？
对于完整的双端口测量，激励信号在端口 1 和端口 2 之间来回切换。在端口 1 时，测量接收器 A、R1 和 B。A/R1 的值为原始 S11，B/R1 的值为原始 S21。然后刺激切换到端口 2，在这里测量 B、R2 和 A。B/R2 将是原始 S22 值，A/R2 将是原始 S12 值。在对每个方向的三个接收器进行测量后，在 FPGA 中进行归一化处理。在 FPGA 中，使用 DSP 对中频带宽进行滤波，然后对数据进行重抽取。
现在，低数据速率的原始数据 S11、S12、S21 和 S22 通过 USB 连接发送到主机上运行的CMT矢量网络分析仪软件，以便进行校准，并以所需格式显示结果。
矢量网络分析仪有哪些用途？
USB 矢量网络分析仪可用于多种应用。例如，VNA 可用于评估射频系统中使用的放大器。射频放大器的特性包括增益、回波损耗、P1dB、输出匹配和稳定性。在将放大器设计到系统中时，这些特性的验证非常重要。
VNA 还可用于评估射频滤波器的特性。滤波器是大多数射频系统的重要组成部分。设计用于在设定带宽内工作的接收器必然会在前端安装一个滤波器，将输入限制在这些频率上。如果信号要向上或向下混频到另一个频率，则需要在混频器之前安装一个滤波器，以防止在图像频率上出现模糊混频。
VNA 可以测量滤波器的通带插入损耗 S21 和输入端的回波损耗 S11。它还可以测量阻带，CMT 的 VNA 具有出色的动态范围，可以在一次测量中同时测量通带和深阻带，如图 2 所示。
可使用 VNA 对天线进行评估。如果频率在天线的工作带宽内，天线应将馈线上的信号转换为辐射射频能量。反射测量足以评估天线的适用性和健康状况。如果反射率很高，那么显然辐射的能量就很少。相反，如果天线的反射率低，则可以认为能量被辐射掉了。回波损耗 (S11) 或驻波比是常用的测量参数。
图2 – 滤波器测量
图 3 – Compass 技术集团的聚焦光束材料测量系统
使用 VNA 可以测量电缆和波导。在射频电缆生产中使用 VNA 是非常普遍的。铜山科技公司生产的手持便携式 1 端口 VNA 可方便地在生产设备上验证电缆的性能是否正常。可使用时域模式对天线的电缆馈线进行评估，以验证不同距离的特性阻抗，检查是否有损坏或受潮。
波导传输线可使用合适的同轴转波导适配器进行测量。例如，从雷达到军舰上的发射天线之间的长波导线路可以使用时域功能进行评估，就像电缆馈线一样。凹痕、凹陷或生锈的波导部分螺栓都可以快速定位。
材料的介电特性可以用 VNA 进行测量。毫米波 VNA 可用来进行材料测量。如图 3 所示，待测材料的薄片被固定在与 VNA 相连的两个天线之间的框架中。两个透镜聚焦光束，将圆形波面转换为平面波。薄片材料的介电性能可以通过这种方法测量。
这对于评估雷达罩所用材料可能非常重要。材料的复介电常数可通过空中 S 参数测量计算得出。
矢量网络分析仪 vs 频谱分析仪
USB 矢量网络分析仪（VNA）与频谱分析仪（SA）截然不同。前者用于测量被测设备（DUT）的传输和反射特性，后者则适用于测量其输入端的频率振幅。示波器可以显示多个输入信号的时域响应，而频谱分析仪则显示信号的傅里叶变换，显示每个频率分量的不同振幅。
图 4 和图 5 显示了示波器和频谱分析仪对两个信号（一个频率为 130 兆赫，另一个频率为 220 兆赫）的测量结果。
频谱分析仪的作用显而易见。它可以清楚地分别显示两个频率分量的振幅，而示波器测量的频率内容则难以解释。
频谱分析仪和 VNA 的方框图有很大不同。典型的 SA 框图如图 6 所示。需要进行双重转换（双外差），以确保混频器图像不会出现问题。此外，本地振荡器（LO）信号源，尤其是下面框图中的第一个信号源，必须没有杂散信号，高阶互调产物（IM）必须出现在 15 GHz 中频中。如果无法避免 IM，则必须切换额外的中频路径，并相应改变 LO 偏移。换句话说，可以换用 15.15 GHz IF 滤波器来代替 15 GHz 滤波器，并将此 IF 通路的第一个 LO 上移 200 MHz，而且只适用于第一个 IF 频率存在不可避免的尖峰的频率。
图 4 – 示波器测量 130 和 220 MHz 信号
图 5 – 频谱分析仪对 130 和 220 MHz 信号的测量
因此，SA 被认为是一种宽带跟踪接收器，可显示在 DSP 部分的 FIR 滤波确定的中频带宽内每个频率上的现有射频功率。
图 6 – 频谱分析仪方框图
有些频谱分析仪带有跟踪信号发生器。信号发生器与跟踪接收器一起扫描。将信号发生器连接到 DUT 的输入端，然后将输出端连接到 SA 输入端，就可以测量 DUT 的频率响应。该功能与 VNA 的功能类似，但 USB 矢量网络分析仪要精确得多，并包含相位信息。
频谱分析仪设计与 VNA 相比有何不同？
VNA 的射频结构要简单得多。刺激信号（从起始频率到终止频率）通过 DUT，然后跟踪接收器测量通过并反射回来的信号。接收器只对产生的激励频率上的信号敏感，而且只在测量的中频带宽范围内。
典型的 VNA 框图如图 7 所示。激励信号被路由至端口 1 或端口 2，并分别通过两侧的定向电桥。电桥能够按信号的传播方向将信号分开，因此电桥的两个输出端口分别是离开端口的信号量和进入端口的信号量的样本。每个电桥的每个端口上都有一个混频器，将高激励频率降低到更低的中频频率，通常低于 20 兆赫。恒频中频被数字化，低延迟 DSP 滤波器用于应用中频带宽（IFBW）。只进行一次转换，而不像频谱分析仪那样进行两次转换。
这样的方框图容易造成混频器图像模糊。例如，如果 LO 比激励信号高 10 MHz 以产生 10 MHz 的中频，那么所需的响应是由 LO 以下 10 MHz 的信号引起的，但高出 10 MHz 的信号也会产生相同的中频信号。然而，VNA 的工作原理并非如此。
只有一个信号–激励信号–它完全由 USB 矢量网络分析仪控制，并且始终处于 LO-IF 频率。对于正常的 VNA 测量而言，图像不是问题，因此可以采用单一转换（同频）架构。
VNA 中的接收器与 SA 中的接收器一样，也是跟踪接收器，您可以将 VNA 用作初级 SA，方法是关闭激励信号，观察其中一个接收器（A 或 B）测得的信号功率，这两个接收器分别响应进入 VNA 端口 1 或 2 的信号。
图 7 – 典型的 VNA 框图
图 8 – VNA 用作频谱分析仪
图 9 – 1 kHz DSP 中频带宽滤波器
图 10 – 1 kHz IFBW 和 100 kHz 跨度信号的实际 SA 测量值
应用于 USB 矢量网络分析仪的单个信号将显示两个响应–一个在实际频率上，另一个在图像上–或低于中频频率的两倍。LO 还可能产生一些小的杂散信号。VNA LO 不一定要像 SA 中使用的 LO 那样纯净，因为 VNA 通常只测量自己的激励频率。
图 8 显示了 VNA 的 A 接收器测量接近 2.3 GHz 的信号。VNA 的激励源已关闭，A 接收机的绝对测量选择了 2.3 GHz 附近的 100 kHz 跨度。通过 DSP 实现的低延迟 VNA 中频带宽滤波器的侧叶清晰可见。由于准确的信号可视化比测量速度更重要，因此 SA 应使用侧叶最小的 DSP。VNA 中的 DSP 中频滤波器经过优化，延迟最小，从而降低了测量速度。VNA 中频滤波器的边沿不会降低 VNA 的测量精度，但视觉效果不如 SA 测量那样清晰。
图 9 显示了 VNA 中 1 kHz 中频滤波器的特写。如果将中频带宽设置为 1 kHz，VNA 在此窄跨度范围内显示完全纯净的输入信号，则会显示出这样的效果。
相比之下，图 10 显示了频谱分析仪对 1 kHz IF BW 和 100 kHz 跨度信号的实际测量结果，与图 9 的测量结果如出一辙。由于 DSP 中频滤波器经过优化，可以最大限度地减少边叶，因此没有边叶。
频谱分析仪和 USB 矢量网络分析仪在设计上有很大不同，都是为了满足特定类型测量的需要。这两种仪器不能互换。
可以将 VNA 用作信号发生器吗？
是的，您可以将扫描范围设置为 “零跨度”，并将频率设置为所需值，这样 VNA 就会输出恒定频率的音频。不过，也有一些注意事项。CMT 的 Compact 系列使用分数-N 锁相环产生高分辨率信号。因此，输出频率可能会偏差几分之一赫兹。因此，如果将 VNA 用作频率源，使用另一个信号发生器来产生相同的频率，并且两台仪器的后面板上提供相同的 10 MHz 时基基准，则 VNA 信号可能无法锁定到信号发生器的频率。不过，这种要求并不常见。
通常情况下，VNA 并不需要精确测量频率。重要的是，测得的内部 IF 频率必须在 FPGA 中实现的 DSP 滤波器的 IF 带宽范围内。
9 GHz 或 20 GHz 的 Cobalt 系列 VNA 使用直接数字合成 (DDS) 来产生微小的频率阶跃，因此在这种情况下，输出频率将是精确的。
VNA 为什么这么贵？
USB 矢量网络分析仪需要可编程微波源，并使用相当高速的 14 位 ADC 对中频进行数字化，还需要 FPGA 来实现 DSP 要求，将中频数字化混合为零，并使用数字 FIR 滤波器应用中频带宽滤波器。这三种元件的价格都不便宜。将信号源提升到足够高的电平以用作本地振荡器 (LO) 和刺激源所需的宽带微波放大器也增加了成本。如果最大刺激电平输出需要 +10 或 +15 dBm，放大器的实际输出可能需要比这一值高出 3 或 4 dB，以考虑通过测量电桥的损耗。具有这种非饱和输出功率的 9 或 20 GHz 宽带放大器价格不菲。
正是这些宽带高频元件加上 FPGA 的组合，在很大程度上增加了 VNA 的商品成本。
但是，如果 VNA 采用集成的微波 VCO/PLL 源，而不是多环锁相系统（带有单独的 VCO 和直接数字合成器 (DDS)）来实现小频阶，则可以更低的成本实现。CMT 的经济型 Compact 型号就是以这种方式设计的。Cobalt 型号采用了更复杂的信号合成方法，因此动态范围更大。
USB VNA 为何更经济实惠
通过取消嵌入式操作系统，铜山科技公司能够提供低成本的 USB 矢量网络分析仪。原始测量数据通过 USB 总线发送到任何基于 Windows 或 Linux 的计算机上，运行我们的专利软件进行处理、显示和分析。由于 VNA 从设计之初就采用了最先进的集成射频源，因此还能节省更多成本。我们的 VNA 是专为特定用途而设计的，而不是用昂贵的传统测试设备拼凑而成。较低的矢量网络分析仪价格反映了这些技术进步。随着 VNA 成为笔记本电脑的精密测量扩展设备，这是一种自然的演变。实验室工作台上不再需要微波炉大小的 VNA。
Copper Mountain Technologies 的 USB 矢量网络分析仪具有出色的计量性能，可进行精确测量。我们位于印第安纳州印第安纳波利斯和塞浦路斯帕福斯的 ISO-17025 实验室通过了 50 GHz 的认证，可提供不确定度可追溯至 NIST 的校准证书。CMT 生产的 VNA 具有卓越的准确性和稳定性，拥有成本更低。
如何决定哪种矢量网络分析仪最好？
首先，VNA 的好坏取决于用于校准它的校准套件。廉价的校准套件会大大降低测量精度。强烈建议使用 CMT 的自动校准模块 (ACM)，以实现最高水平的测量精度。
执行用户校准后，VNA 必须保持稳定。通常情况下，只要实验室的温度保持合理恒定，CMT 的紧凑型型号在 24 小时内会漂移约 0.05 dB。
VNA 的动态范围定义为 10 Hz 带宽内的最大输出功率减去接收器本底噪声。要测量滤波器的插入损耗，同时在屏幕上看到较深的阻带，就需要较高的动态范围。这是一项重要的技术指标。SC5090 紧凑型 VNA 的动态范围如图 11 所示，在较大的频率范围内为 138 至 140 dB。
图 11 – SC5090 动态范围规格
原始信号源和负载匹配很重要，但并不关键。它们的影响大多已被校准。
残余反射跟踪和传输跟踪将在很大范围内决定 VNA 的精度。这两个残余误差以及残余方向性误差是所用校准套件的函数。CMT 数据表中给出的数字基于使用 ACM 进行的校准。
图 12 – 基于 ACM 校准的残差参数
测量速度通常是一个关键指标。如果需要实时观察调整或电路变化的结果，使用速度慢的 VNA 会令人沮丧。SC5090 的测量速度如图 13 所示。请注意，在进行完整的 2 端口校准时，测量速度是原来的两倍。这是因为必须测量所有四个 S 参数，才能对 2 端口校准的任何一个参数进行校准测量，而且 VNA 必须在两个方向上渗入；端口 1 到端口 2，然后端口 2 到端口 1。
图 13 – SC5090 测量速度
如果需要时域分析、时域门控、嵌入、去嵌入等分析功能，请确保 VNA 具有这些功能。所有 CMT USB 矢量网络分析仪都具有这些功能，无需额外费用*。
*M 系列 VNA 没有包含高级功能。
