CN109245831B - 低频-射频网络分析仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种能实现低频和射频同时测量的网络分析仪方案，主要方案为低频信号源的加入，使网络分析仪能够实现低频段的S参数测量，其次本系统的采用了不同的信号源合成技术，低频信号采用直接数字频率合成器(DDS)技术，射频信号源和本振信号源采用直接数字频率合成(DDS)与锁相环(PLL)相结合方式。本发明的网络分析仪频率范围从5Hz到3GHz，且在全频率范围内有非常高的动态范围，可以使您对各种几乎从直流到射频的器件进行测试。

Description

低频-射频网络分析仪
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，具体涉及低频-射频网络分析仪。
背景技术
传统的矢量网络分析仪的频率最低一般为几十KHz或几百KHz，不适用于一些频率要求很低的被测件(如：晶体、晶振、声表、陶瓷滤波器、MRI线圈等)的S参数测量；还有一部分矢量网络分析仪虽然低频可以达到几Hz，但是高频段仅能达到几百MHz，不能满足对高频被测件(如：放大器、同轴电缆、功分器、合路器、天线、耦合器、滤波器等)的S参数测量要求。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了低频-射频网络分析仪，解决了现有网络分析仪频率测量范围过小，无法满足低频和射频的同时测量问题的问题。为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
低频-射频网络分析仪，包括信号源，信号源包括基准信号分配模块、低频信号产生单元、分段滤波电路、信号合成电路和输出开关；所述基准信号分配模块的输出端连接低频信号产生单元和分段滤波电路的输入端，所述基准信号分配模块、低频信号产生单元和分段滤波电路的输出端连接信号合成电路的输入端，信号合成电路的输出端连接输出开关；
所述基准信号分配模块：用于产生基频信号，然后将基频信号进行分频处理得到第一基频信号和第二基频信号；
所述低频信号产生单元：将第一基频信号合成第一信号和第二信号；
所述分段滤波电路：将第二基频信号经过滤波处理得到第三信号；
所述信号合成电路：将基频信号、第一信号、第二信号和第三信号进行合路处理输出全频段源信号；
所述输出开关：将信号源分成两路输出；两路输出的信号包括低频信号和射频信号；
所述第一信号、第二信号、第二基频信号和基频信号的频率范围端点值依次连续。
进一步的，所述信号源的输出端还连接有接收机；
接收机包括低频耦合电路、射频耦合电路、混频器和信号处理单元，射频耦合电路输出端连接混频器的射频输入端，混频器和低频耦合电路的输出端连接信号处理单元的输入端；所述低频耦合电路和射频耦合电路的输入端连接所述输出开关的输出端。
进一步的，所述射频耦合电路包括射频T路输出端和射频R路输出端；低频耦合电路包括低频T路输出端和低频R路输出端；混频器包括T路混频器和R路混频器；
信号处理单元包括FPGA，FPGA连接有T路模数转换器和R路模数转换器，T路模数转换器的输入端连接有T路滤波和功率调整电路，R路模数转换器的输入端连接有R路滤波和功率调整电路；
T路混频器和R路混频器的射频输入端分别依次对应连接所述射频T路输出端和所述射频R路输出端；T路混频器和R路混频器的本振输入端还连接有本振信号源；所述低频T路输出端和T路混频器的输出端连接T路滤波和功率调整电路的输入端；所述低频R路输出端和R路混频器的输出端连接R路滤波和功率调整电路的输入端；所述本振信号源用于提供本振信号L0；本振信号源与信号源相同，供本振信号L0输出的频率始终保持与信号源相差一个中频的频率3MHz。
进一步的，所述第一信号、第二信号、第二基频信号和基频信号的频率范围端点值依次增大。
进一步的，所述基准信号分配模块包括锁相环，锁相环的输出端连接有2分频器，2分频器的输出端连接有N分频器；
锁相环的输出端输出基频信号；N分频器的输出端输出第一基频信号和第二基频信号。
进一步的，分段滤波电路包括第一开关，第一开关的输出端连接有第二低通滤波电路；
第一开关的输入端接收第二基频信号；第二低通滤波电路输出第三信号。
进一步的，低频信号产生单元包括数字频率合成器，数字频率合成器的输入端接收第一基频信号，数字频率合成器的输出端输出第一信号和第二信号。
进一步的，信号合成电路包括第一可编程逻辑器件、数字模拟转换器DAC、第二开关、第三开关、第一网络放大器、第二网络放大器、模拟衰减器和数字衰减器；模拟衰减器的调控端连接所述数字模拟转换器DAC的输出端，数字模拟转换器DAC的输入端连接第一可编程逻辑器件；模拟衰减器的输入端连接第二开关的输入端，模拟衰减器的输出端连接所述第一网络放大器，第一网络放大器的输出端连接所述第三开关，第三开关的输出端连接数字衰减器的输入端，数字衰减器的调控端连接第一可编程逻辑器件，数字衰减器的输出端连接第二网络放大器；第二网络放大器的输出端作为低频信号产生单元的输出端；
模拟衰减器接收第一基频信号，第二开关接收第三信号和第二信号，第三开关接收第一信号。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明全频率范围内有非常高的动态范围，可以使您对各种几乎从直流到射频的器件进行测试，与传统的射频网络分析仪相比，弥补了传统网络分析仪无法进行低频S参数测量缺点，可以实现对各种几乎从直流到射频的器件进行测试，大大提高了现有矢量网络分析仪的测量范围，满足用户在低频和射频的不同测试需求。
2、由锁相环输出基频信号；通过DDS直接数字合成第一信号和第二信号，最终通过信号合成电路合成5Hz到3GHz的全频段输出信号，并由输出开关分成两部分输出。信号合成电路设计采用固定放大与模拟衰减、数字衰减相结合的模式，FPGA通过控制DAC的输出电压来调整模拟衰减的衰减量，数字衰减直接采用高速FPGA控制，可控衰减保证了输出信号较宽的输出电平范围。
3、低频信号源不经过限幅电路，避开了耦合电容对低频带来的影响。射频信号经过射频耦合电路后分离成T、R两路，与本振信号混频后产生中频信号，中频信号经过滤波和功率调整处理后通过高速模数转换器转换成数字信号，供FPGA进行数字信号处理。低频信号经过低频耦合电路后分成T、R两路，经过滤波和功率调整处理后直接通过高速模数转换器转换成数字信号，供FPGA进行数字信号处理。
附图说明
图1为本发明中信号源结构图；
图2为本发明中接收机结构图；
图3为低频耦合电路；
图4为射频耦合电路；
图5为中频信号处理单元。
具体实施方式
现结合附图对方案做进一步的说明。
实施列1
结合附图1，低频-射频网络分析仪，包括信号源，信号源包括基准信号分配模块、低频信号产生单元、分段滤波电路、信号合成电路和输出开关；所述基准信号分配模块的输出端连接低频信号产生单元和分段滤波电路的输入端，所述基准信号分配模块、低频信号产生单元和分段滤波电路的输出端连接信号合成电路的输入端，信号合成电路的输出端连接输出开关；
所述基准信号分配模块：用于产生基频信号，然后将基频信号进行分频处理得到第一基频信号和第二基频信号；
所述低频信号产生单元：将第一基频信号合成第一信号和第二信号；
所述分段滤波电路：将第二基频信号经过滤波处理得到第三信号；
所述信号合成电路：将基频信号、第一信号、第二信号和第三信号进行合路处理输出全频段源信号；
所述输出开关：将信号源分成两路输出；两路输出的信号包括低频信号和射频信号；
所述第一信号、第二信号、第二基频信号和基频信号的频率范围端点值依次连续。
所述第一信号、第二信号、第二基频信号和基频信号的频率范围依次为5HZ-46MHZ,46MHZ-93MHZ,93MHZ-1.5GHZ和1.5GHZ-3GHZ。低频信号和射频信号的范围依次分别为5HZ-100KHZ和100KHZ-3GHZ。
实施例2
在实施例1的基础上所述基准信号分配模块包括锁相环，锁相环的输出端连接有2分频器(HJ-DYF101)，2分频器的输出端连接有N分频器；
锁相环的输出端输出基频信号；N分频器的输出端输出第一基频信号和第二基频信号。
分段滤波电路包括第一开关，第一开关的输出端连接有第二低通滤波电路；
第一开关的输入端接收第二基频信号；第二低通滤波电路输出第三信号。
低频信号产生单元包括数字频率合成器，数字频率合成器的输入端接收第一基频信号，数字频率合成器的输出端输出第一信号和第二信号。
信号合成电路包括第一可编程逻辑器件、数字模拟转换器DAC、第二开关、第三开关、第一网络放大器、第二网络放大器、模拟衰减器和数字衰减器；模拟衰减器的调控端连接所述数字模拟转换器DAC的输出端，数字模拟转换器DAC的输入端连接第一可编程逻辑器件；模拟衰减器的输入端连接第二开关的输入端，模拟衰减器的输出端连接所述第一网络放大器，第一网络放大器的输出端连接所述第三开关，第三开关的输出端连接数字衰减器的输入端，数字衰减器的调控端连接第一可编程逻辑器件，数字衰减器的输出端连接第二网络放大器；第二网络放大器的输出端作为低频信号产生单元的输出端；
模拟衰减器接收第一基频信号，第二开关接收第三信号和第二信号，第三开关接收第一信号。图1中为了表述清晰，将图1中的FPGA描述成第一可编程逻辑器件。
第一开关的作用是将接收到的第二基频信号分段输出到对应的第二低通滤波的滤波电路上进行滤波，通过FPGA输出的3位数字信号选择开关的8个输出通道来完成该项工作；
第二开关的作用是将接收到的第三信号和第二信号合并成一个连续信号，通过FPGA输出的3位数字信号选择开关的8个输入通道来完成该项工作；
第三开关的作用是将接收到的第一信号和第一网络放大的输出信号合并成一个完整的5Hz到3GHz的信号，由FPGA输出的1位数字信号选通开关的两个输入通道来完成；
输出开关的作用是将接收到的5Hz到3GHz的全频段信号分成两部分输出，由FPGA输出的1位数字信号选通开关的两个输出通道来完成。
为了进一步实现，所述锁相环由鉴相器(74VHC74)、第一分频器(LTC6950)、第二分频器(HMC700)、运算放大器和压控振荡器(HJ-VCO607)构成，其中压控振荡器分别与分频器(SC64046)和运算放大器连接，鉴相器分别与分频器(1822-1050)和运算放大器连接；
所述N分频器为HMC859；DDS为AD9951。
所述信号合成电路包括第一开关(HMC321A)、第二开关(HMC321A)、第三开关(HMC784A)、低通滤波电路、第一网络放大(AD8065)、第二网络放大(AD8065)、模拟衰减器(HMC346AMS8GE)、数字衰减器(HMC624A)、FPGA(XC3S1200S)和DAC(LTC2000-14)；
所述信号源产生的信号频率为5Hz到3GHz，分成两部分输出，一部分为5Hz到100KHz，另一部分为100KHz到3GHz；
工作原理：由锁相环检测输入信号和压控振荡器输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号通过鉴相器转换成电压信号反馈给压控振荡器，最终输出高精度的1.5GHz到3GHz的射频信号。5Hz到46MHz信号通过DDS直接数字合成，与分频后处理后的射频信号最终合成5Hz到3GHz的全频段输出信号，并由输出开关分成两部分输出。信号源整体电路设计采用固定放大与模拟衰减、数字衰减相结合的模式，FPGA通过控制DAC的输出电压来调整模拟衰减的衰减量，数字衰减直接采用高速FPGA控制，两级的可控衰减保证了输出信号较宽的输出电平范围(-55dBm到+10dBm)。
实施例3
在实施例1的基础上，如图2所示：所述信号源的输出端还连接有接收机；
接收机包括低频耦合电路、射频耦合电路、混频器和信号处理单元，射频耦合电路输出端连接混频器的射频输入端，混频器和低频耦合电路的输出端连接信号处理单元的输入端；所述低频耦合电路和射频耦合电路的输入端连接所述输出开关(HMC784A)的输出端。
所述射频耦合电路包括射频T路输出端和射频R路输出端；低频耦合电路包括低频T路输出端和低频R路输出端；混频器包括T路混频器和R路混频器；
如图3所示：低频耦合电路N-connector端口为接收机的输出端口，J3接收由信号源产生的5HZ-100KHZ的信号，U1为控制开关，电感L7连接FPGA(XC3S400)用于控制通断；T和R端表示低频T路输出端和低频R路输出端；
信号处理单元包括FPGA，FPGA连接有T路模数转换器和R路模数转换器，T路模数转换器的输入端连接有T路滤波和功率调整电路，R路模数转换器的输入端连接有R路滤波和功率调整电路；所述低频耦合电路、射频耦合电路、T路滤波和功率调整电路和R路滤波和功率调整电路还接收FPGA的控制信号。
T路混频器和R路混频器的射频输入端分别依次对应连接所述射频T路输出端和所述射频R路输出端；T路混频器和R路混频器的本振输入端还连接有本振信号源；所述低频T路输出端和T路混频器的输出端连接T路滤波和功率调整电路的输入端；所述低频R路输出端和R路混频器的输出端连接R路滤波和功率调整电路的输入端；所述本振信号源用于提供本振信号L0；
本振信号源与信号源相同，供本振信号L0输出的频率始终保持与信号源相差一个中频的频率3MHz。
所述射频混频部分由射频耦合电路、T路混频器(HSP179)、R路混频器(HSP179)构成，如图4所示：射频耦合电路中U10是一个典型的限幅器，1脚是输入脚、4脚是输出脚，主要用来保护仪器免受过载射频信号和瞬态冲击电流的影响，保护接收机的安全；U79是一个单刀双掷的开关，5脚和8脚是输入端口，3脚是输出端口，1脚和2脚是控制端口，其控制信号是一正一负的互锁信号，主要用以选通100KHZ---3GHz的输入信号；U95是一个典型的反相器，2是输入端，4是输出端，5是电源引脚，作用是将接收到的信号经反相后的信号共同作用于U79的控制端口，保证U79控制的正确和安全。电感L106连接电源，为芯片U95供电，电感L105连接FPGA，接收由FPGA输出的控制信号。所述信号处理部分由T路滤波与功率调整电路、R路滤波与功率调整电路、T路模数转换器(AD9707)、R路模数转换器(AD9707)和FPGA(XC3S400)构成。
T路滤波与功率调整电路和R路滤波与功率调整电路均包括：滤波电路(现有)和中频信号处理单元，中频信号处理单元主要包含三个器件前置运放U159(型号：AD797)、开关U58(型号：DG413)、运放U24(型号：OP228)，前置运放U159的作用是对滤波后的中频信号进行前置放大，开关U58含有4个通道(S1-S4)，每个通道对应不同的衰减量，通过不同衰减量的选择(端口N1-N4)，端口N1-N4连接至FPGA，接收由FPGA输出的控制信号，来调整信号的功率范围，运放U24的作用是对中频信号进行放大。
工作原理：信号源产生的100KHz到3GHz射频信号经过射频耦合电路后分离成R、T两路，输送到混频器后与LO本振信号混频后产生3MHz的固定中频信号，经过滤波和功率调整后由模数转换器变换为数字信号供FPGA处理；信号源产生的5Hz到100KHz低频信号经过低频耦合电路后分离成R、T两路，经过滤波和功率调整后由模数转换器直接变换为数字信号供FPGA处理。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.低频-射频网络分析仪，包括信号源，其特征在于，所述信号源包括基准信号分配模块、低频信号产生单元、分段滤波电路、信号合成电路和输出开关；所述基准信号分配模块的输出端连接低频信号产生单元和分段滤波电路的输入端，所述基准信号分配模块、低频信号产生单元和分段滤波电路的输出端连接信号合成电路的输入端，信号合成电路的输出端连接输出开关；
所述基准信号分配模块：用于产生基频信号，然后将基频信号进行分频处理得到第一基频信号和第二基频信号；
所述低频信号产生单元：将第一基频信号合成第一信号和第二信号；
所述分段滤波电路：将第二基频信号经过滤波处理得到第三信号；
所述信号合成电路：将基频信号、第一信号、第二信号和第三信号进行合路处理输出全频段源信号；
所述输出开关：将信号源分成两路输出；两路输出的信号包括低频信号和射频信号；
所述第一信号、第二信号、第二基频信号和基频信号的频率范围端点值依次连续。
2.如权利要求1所述低频-射频网络分析仪，其特征在于，所述信号源的输出端还连接有接收机；
接收机包括低频耦合电路、射频耦合电路、混频器和信号处理单元，射频耦合电路输出端连接混频器的射频输入端，混频器和低频耦合电路的输出端连接信号处理单元的输入端；所述低频耦合电路和射频耦合电路的输入端连接所述输出开关的输出端。
3.如权利要求2所述低频-射频网络分析仪，其特征在于，所述射频耦合电路包括射频T路输出端和射频R路输出端；低频耦合电路包括低频T路输出端和低频R路输出端；混频器包括T路混频器和R路混频器；
信号处理单元包括FPGA，FPGA连接有T路模数转换器和R路模数转换器，T路模数转换器的输入端连接有T路滤波和功率调整电路，R路模数转换器的输入端连接有R路滤波和功率调整电路；
T路混频器和R路混频器的射频输入端分别依次对应连接所述射频T路输出端和所述射频R路输出端；T路混频器和R路混频器的本振输入端还连接有本振信号源；所述低频T路输出端和T路混频器的输出端连接T路滤波和功率调整电路的输入端；所述低频R路输出端和R路混频器的输出端连接R路滤波和功率调整电路的输入端；所述本振信号源用于提供本振信号L0。
4.如权利要求1所述低频-射频网络分析仪，其特征在于，所述第一信号、第二信号、第二基频信号和基频信号的频率范围端点值依次增大。
5.如权利要求1所述低频-射频网络分析仪，其特征在于，所述基准信号分配模块包括锁相环，锁相环的输出端连接有2分频器，2分频器的输出端连接有N分频器；
锁相环的输出端输出基频信号；N分频器的输出端输出第一基频信号和第二基频信号。
6.如权利要求1所述低频-射频网络分析仪，其特征在于，分段滤波电路包括第一开关，第一开关的输出端连接有第二低通滤波电路；
第一开关的输入端接收第二基频信号；第二低通滤波电路输出第三信号。
7.如权利要求1所述低频-射频网络分析仪，其特征在于，低频信号产生单元包括数字频率合成器，数字频率合成器的输入端接收第一基频信号，数字频率合成器的输出端输出第一信号和第二信号。
8.如权利要求1所述低频-射频网络分析仪，其特征在于，信号合成电路包括第一可编程逻辑器件、数字模拟转换器DAC、第二开关、第三开关、第一网络放大器、第二网络放大器、模拟衰减器和数字衰减器；模拟衰减器的调控端连接所述数字模拟转换器DAC的输出端，数字模拟转换器DAC的输入端连接第一可编程逻辑器件；模拟衰减器的输入端连接第二开关的输入端，模拟衰减器的输出端连接所述第一网络放大器，第一网络放大器的输出端连接所述第三开关，第三开关的输出端连接数字衰减器的输入端，数字衰减器的调控端连接第一可编程逻辑器件，数字衰减器的输出端连接第二网络放大器；第二网络放大器的输出端作为所述信号合成电路的输出端；
模拟衰减器接收第一基频信号，第二开关接收第三信号和第二信号，第三开关接收第一信号。
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