【摘要】 VNA已经成为非常有吸引力的仪器，当与适当的传感器一起使用时，它超越了电子和电信工程的领域。

矢量网络分析仪（VNA）通常用于在高频（高于30MHz）下测量电子和电磁设备及网络的特性。传统应用包括天线、滤波器和放大器的特性。在如此高的频率下，集总元件模型失去了有效性，因此有必要引入传输线的概念，并从入射波、透射波和反射波的角度进行思考。

 

测量通常根据S参数[1]给出，这些参数与入射波、反射波和透射波有关。随着技术的发展，VNA的架构得到了改进，误差校正模型变得更加准确，并开发了更复杂的校准程序来减少系统误差。

 

因此，VNA已经成为非常有吸引力的仪器，当与适当的传感器一起使用时，它超越了电子和电信工程的领域。例如，在介电光谱领域，VNA的新兴应用包括材料、生物样品和土壤的测量。当然，小尺寸和便携性是非常理想的功能，几家领先的制造商提供的小型手持式VNA的性能与传统台式仪器相当。

 

一方面，图1（a）显示了VNA的经典架构。如图所示，网络分析器提供用于刺激的源、信号分离装置、用于信号检测的接收器以及用于查看结果并与操作者接口的显示/处理电路。现代网络分析器利用合成频率源来提供已知的测试激励，该测试激励可以扫过一系列频率或功率电平。

 

信号分离硬件允许对入射信号的样本进行测量，以提供比率测量的参考，并且它在DUT的输入处分离入射（正向）和反射（反向）信号。用于此目的的硬件包括功率分配器、定向耦合器和定向桥。

 

另一方面，图1（b）显示了软件定义的VNA的体系结构。如先前工作所述，软件定义系统的体系结构具有概念组织，可以清楚地识别其关键元素。这是通过两个基本方面实现的：概念域和功能块。

 

与此相反，在这项工作中，我们只需要在软件定义的VNA系统的设计中考虑两个概念领域：模拟电气和数字电气。如Riobo等人[2]所述，模拟电域是根据模拟电信号来描述的。

 

在数字电气领域，根据数据流进行描述。作为概念域的组成元素的功能块如图所示。第1（b）段。这种VNA设计理念的核心依赖于软件定义硬件（SDH），该硬件在模拟电域中生成入射信号，还接收参考信号（图1（a）中记为R）和响应信号（图1（B）中记作a和B）。

 

从上面可以清楚地看出，SDH可以通过SDR平台来实现；例如，SDR可以容易地将这些模拟信号转换为数字电域中的复杂I/Q数据流。可编程控制器（PC）不仅连接SDH输入和输出数据流，而且管理SDH软件组件并提供任何额外的控制信号。在图1的两个方案中都可以找到信号分离和DUT块。

 

图1 VNA框图

 

为了确保VNA的令人满意的操作，避免电磁干扰是非常重要的，特别是来自VHF和UHF波段的FM和TV发射器的电磁干扰。在这项工作中，SDR板安装在一个4毫米厚的铝外壳内。我们使用高品质SMA内孔隔板插座进行外部射频连接。

 

RG 174同轴电缆的短长度（约10cm）用于将SMA插座连接到LimeSDR板上的U.FL连接器。当然，高精度测量要求所有外部连接不会引入不需要的反射或衰减。

 

因此，必须使用具有正确安装连接器的高质量同轴电缆。我们使用正确校准的标量网络分析仪和精确参考负载，检查了所有外部电缆在6 GHz以下的性能是否令人满意。热管理是该VNA实现的另一个关键方面。如制造商所示，LimeSDR板中包含专用温度传感器，可通过软件访问。

 

就我们的目的而言，基于散热器和PC冷却器风扇的被动散热效果良好。为了确保电磁屏蔽的完整性，在风扇开口上方放置了金属格栅。我们的VNA的硬件实现如图2所示。

 

图2 LimeSDR组件

 

[1] Agilent Technologies, AN154 S-Parameter Design, Application note, Agilent, 2006.

[2] L.M. Riobo, F.E. Veiras, M.T. Garea, P.A. Sorichetti, Software-defined optoelectronics: Space and frequency diversity in heterodyne interferometry, IEEE Sens. J. 18 (14) (2018) 5753–5760. 

 

科学指南针已获得检验检测机构资质认定证书（CMA）、实验动物使用许可证、“ISO三体系认证”等专业认证，并荣获国家高新技术企业、国家“互联网+科研服务领军企业等多项荣誉。未来，科学指南针将继续朝着“世界级科研服务机构”的目标，在产品研发和用户服务等方面持续努力，为科学发展和技术创新做出更大贡献。

 

免责声明：部分文章整合自网络，因内容庞杂无法联系到全部作者，如有侵权，请联系删除，我们会在第一时间予以答复，万分感谢。