CN109254218A - 一种多端口测量矢量网络分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多端口矢量网络分析仪，具体涉及矢量网络分析仪技术领域。该分析仪包括若干矢量网络分析仪模块，通过USB3.0线缆将矢量网络分析仪模块与外置计算机相连，实现了计算机与矢量网络分析仪模块之间远距离高速率的数据传输，计算机完成网络参数的分析和网络曲线的显示。该模块省去了台式矢量网络分析仪所需的CPU、显示屏、键盘板等模块，降低成本的同时实现了矢量网络分析仪的小型化和模块化。单个矢量网络分析仪模块通过USB3.0线缆连接计算机，可以对被测件进行信号反射测量，两个模块级联可组成全双端口矢量网络分析仪，进行传输测量，多个模块级联组成多端口矢量网络分析仪，可以实现多端口矢量网络参数的测试。

Description

一种多端口测量矢量网络分析仪

技术领域

本发明涉及矢量网络分析仪技术领域，具体涉及一种多端口矢量网络分析仪。

背景技术

矢量网络分析仪是微波毫米波领域科研和生产最常用的测试仪器之一，广泛应用于微波毫米波器件的科研设计、生产测试以及系统测试中。如今，很多应用于无线通信和雷达的微波器件都带有四个甚至更多端口，应用两端口矢量网络分析仪测试这些器件需要多次连接才能完成性能表征，而多端口矢量网络分析仪仅需要连接一次就可以完成多端口被测件的测量，最大限度的减少了被测件与测试设备之间的连接次数，显著的缩短了总测试时间，减少了测试人员的工作量，提高了测试精度、测试速率以及测试可重复性。

目前主流的多端口矢量网络分析仪采用分体式结构，有矢量网络分析仪主机和多端口网络参数端口扩展装置两部分构成，台式矢量网络分析仪主机的数据处理方式是在内部主处理器的控制下，用FPGA+DSP的模式对测量数据进行预处理，然后将预处理后的数据传输到主处理器进行计算得到S参数等测试结果并在本机的显示屏上显示，因此多端口台式矢量网络分析仪自身需要具备显示屏、键盘板、主处理器、扩展装置等模块，体积庞大，价格昂贵。随着生产空间日益精细化以及用户对解决方案需求的日趋多样化，体积大造价高的多端口台式矢量网络分析仪已经不能完全满足用户的需求，而小型化、模块化的矢量网络分析仪得到了很大的市场需求。

目前国内仪器生产厂商未见发布模块化矢量网络分析仪。国外仪器生产厂商，是德公司生产的基于PXI总线的M937xA系列紧凑型矢量网络分析仪，是全双端口单插槽分析仪，允许用户在单个PXI机箱中安装多个PXI网络分析仪，以便表征多个双端口或多端口器件。是德公司在M937xA的基础上设计的P937xA紧凑型矢量网络分析仪，是一款基于USB3.0接口协议的全双端口矢量网络分析仪，支持端口扩展，最多可实现四端口测量。美国铜山公司生产的R60模块化矢量网络分析仪，是基于USB2.0接口协议的单端口矢量网络分析仪，通过USB接口供电，不支持端口扩展。日本安立生产的MS46121A模块化矢量网络分析仪，是一款基于USB2.0接口协议的单端口矢量网络分析仪，通过USB接口供电，最多支持4通道并行标量传输测量。

国内和国外现有矢量网络分析仪主要有以下缺点：

(1)现有传统台式多端口矢量网络分析仪体积大、成本高，无法进行便携式户外测量。

(2)现有的基于PXI的模块化矢量网络分析仪需要内置操作系统，需要昂贵的机箱、零槽控制器和电缆，特别是在多仪器的通讯和互操作性方面存在着较大的缺陷，并且不适合远距离传输。

(3)现有的基于USB的全双端口模块化矢量网络分析仪，相较于基于USB的单端口模块化矢量网络分析仪，体积较大，成本更高，USB供电无法满足功耗需求，需要额外电源供电。

(4)现有的基于USB的单端口模块化矢量网络分析仪，是基于USB2.0协议的，PC机的USB2.0接口总输出功率为2.5W，数据传输速率是60MB/s，而PC机的USB3.0接口能够输出高达4.5W的总功率，能够实现高达500MB/s的数据传输速率。现有的基于USB的单端口矢量网络分析仪不支持端口扩展或者仅支持标量测试，没有支持多端口矢量网络参数测试。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提出了一种体积小，成本低，支持多端口扩展，可以进行多端口矢量网络参数测试，计算机能够即刻自动检测识别并配置该模块，即插即用的可实现多端口测量的矢量网络分析仪。

本发明具体采用如下技术方案：

一种多端口矢量网络分析仪，包括若干矢量网络分析仪模块，各矢量网络分析仪模块包括屏蔽盒，屏蔽盒内设置电路板，所述电路板上集成信号激励源、本振合成源、混频接收单元、控制单元和时钟单元；

所述信号激励源通过锁相环方式产生宽带射频信号，射频信号经过放大、滤波、衰减处理后，对被测件进行激励；

本振合成源采用锁相环方式产生内部本振信号，内部本振信号和由本振输入接口输入的外部本振信号共同组成本振信号；

混频接收单元接收来自被测件的信号并对信号进行放大和混频得到中频信号；

中频信号经过滤波、放大后由控制单元的ADC模块转换成数字信号，控制单元对中频信号进行数字下变频、CIC抽取+FIR滤波处理后转变为零频信号，然后通过USB将数据传输给计算机，同时通过USB接收来自计算机的控制命令，调度管理各硬件单元。

优选地，在测试过程中，具体采用如下步骤：

A1)通过USB将各个矢量网络分析仪模块连接到外置计算机，计算机即刻自动检测识别矢量网络分析仪模块，并将其配置到初始状态；

A2)计算机通过用户交互界面得知用户需求后，将相应控制命令通过USB3.0发送给量网络分析仪模块的控制单元；

A3)控制单元按照接收到的命令执行相应的操作，并给各个矢量网络分析仪模块发送控制命令；

A4)各矢量网络分析仪模块中的硬件单元根据接收到的命令执行相应操作，完成对被测件的信号激励以及信号的接收；

A5)控制单元完成初步的信号处理后，通过USB3.0接口将数据发送给计算机；

A6)计算机将预处理数据进一步运算和处理，然后显示用户所需要的网络参数曲线。

优选地，所述步骤A1具体包括：

A101)矢量网络分析仪模块接通外部电源，给模块各个硬件单元提供电源，使其正常工作，通过USB HUB将多个矢量网络分析仪模块连接到计算机；

A102)计算机采用轮询的方式自动检测并识别到矢量网络分析仪模块；

A103)计算机通过USB接口将识别到的矢量网络分析仪模块配置到出厂时默认的或者用户自定义的仪器初始状态。

优选地，所述步骤A4具体包括：

A401)矢量网络分析仪模块中各硬件单元根据控制单元的命令进行相应操作；

A402)矢量网络分析仪模块中的时钟单元产生基准频率，为信号激励源、本振合成源、控制单元提供时钟参考，本振合成源产生本振信号，信号激励源产生射频信号，射频信号经过滤波、放大后，对被测件进行激励；

A403)混频接收单元接收到反射或传输信号后，经过低噪声放大器放大后与本振信号进行混频得到中频信号，中频信号经过滤波、放大后进入ADC模块。

优选地，所述步骤A5具体包括：

A501)控制单元中ADC模块对中频信号进行采样转换成数字信号，处理器对数字中频信号进行预处理；

A502)控制单元将预处理后的数据编码后发送给USB模块，通过USB线缆高速发送给计算机。

优选地，在进行多端口扩展应用时需要满足：各个矢量网络分析仪模块需要共用一个本振信号，共用一个时钟单元，共用同一个触发信号同时进行ADC采样。

优选地，单个所述矢量网络分析仪模块通过USB3.0线缆连接计算机，对被测件进行信号反射测量。

优选地，两个所述矢量网络分析仪模块级联组成全双端口矢量网络分析仪，进行传输测量。

本发明具有如下有益效果：

1)与体积大、成本高的台式多端口矢量网络分析仪相比，本发明省去了显示屏、键盘板、CPU、扩展装置等模块，所有硬件单元集成于一块PCB上，用控制单元实现矢量网络分析仪数据预处理，在降低仪器成本的同时实现了矢量网络分析仪的小型化和模块化，可以提供更多更灵活的测试方案。

(2)矢量网络分析仪模块与外置计算机之间采用USB3.0接口协议，USB3.0既可以实现高达500MB/s的高速数据传输，又可以提供高达4.5W的总功率，单端口测试时USB供电即可满足供电需求，无需额外电源供电，即插即用，支持长达5m的远距离测试。

(3)通过USB3.0总线将矢量网络分析仪模块的预处理数据高速传输到外置计算机，由计算机对预处理数据进行深度计算，其计算速度更快，实现的功能更复杂，主程序升级换代更容易。

(4)矢量网络分析仪模块支持多端口扩展，能够进行多端口矢量网络参数测试。

附图说明

图1为矢量网络分析仪模块结构示意图；

图2为多端口矢量网络分析仪结构示意图；

图3为多端口矢量网络分析仪测试过程流程框图；

图4为矢量网络分析仪模块中的各硬件单元工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

如图1和2所示，一种多端口矢量网络分析仪，包括若干矢量网络分析仪模块，模块1的本振输出接口连接模块2的本振输入接口，模块2的本振输出接口连接模块3的本振输入接口，以此类推；模块1的参考输出接口连接模块2的参考输入接口，模块2的参考输出接口连接模块3的参考输入接口，以此类推；模块1的触发输出接口连接模块2的触发输入接口，模块2的触发输出接口连接模块3的触发输入接口，以此类推。多端口扩展级联后可以进行多端口网络参数测试。

各矢量网络分析仪模块包括屏蔽盒，屏蔽盒内设置电路板，单个模块的尺寸为15cm*12.5cm*4cm(长*宽*高)，重量小于2kg，外接笔记本电脑可以实现户外便携式测试，所述电路板上集成信号激励源、本振合成源、混频接收单元、控制单元和时钟单元；

信号激励源通过锁相环(PLL)方式产生宽带射频信号，射频信号经过放大、滤波、衰减处理后，对被测件进行激励；

本振合成源采用锁相环方式产生内部本振信号，内部本振信号和由本振输入接口输入的外部本振信号共同组成本振信号；

混频接收单元接收来自被测件的信号并对信号进行放大和混频得到中频信号；

中频信号经过滤波、放大后由控制单元的ADC模块转换成数字信号，控制单元使用嵌入式微控制器，该处理器具有高性能、低成本、低功耗等特点，内部集成有USB、ADC等模块。控制单元对中频信号进行数字下变频、CIC抽取+FIR滤波处理后转变为零频信号，然后通过USB将数据传输给计算机，同时通过USB接收来自计算机的控制命令，调度管理各硬件单元。

如图3所示，在测试过程中，具体采用如下步骤：

A1)通过USB将各个矢量网络分析仪模块连接到外置计算机，计算机即刻自动检测识别矢量网络分析仪模块，并将其配置到初始状态；

具体包括：A101)矢量网络分析仪模块接通外部电源，给模块各个硬件单元提供电源，使其正常工作，通过USB HUB将多个矢量网络分析仪模块连接到计算机；

A102)计算机采用轮询的方式自动检测并识别到矢量网络分析仪模块；

A103)计算机通过USB接口将识别到的矢量网络分析仪模块配置到出厂时默认的或者用户自定义的仪器初始状态。

A2)计算机通过用户交互界面得知用户需求后，将相应控制命令通过USB3.0发送给量网络分析仪模块的控制单元；

A3)控制单元按照接收到的命令执行相应的操作，并给各个矢量网络分析仪模块发送控制命令；

A4)各矢量网络分析仪模块中的硬件单元根据接收到的命令执行相应操作，完成对被测件的信号激励以及信号的接收；

具体包括：A401)矢量网络分析仪模块中各硬件单元根据控制单元的命令进行相应操作；

A402)矢量网络分析仪模块中的时钟单元产生基准频率，为信号激励源、本振合成源、控制单元提供时钟参考，本振合成源产生本振信号，信号激励源产生射频信号，射频信号经过滤波、放大后，在矢量网络分析仪端口对被测件进行激励；

A403)混频接收单元接收到反射或传输信号后，经过低噪声放大器放大后与本振信号进行混频得到中频信号，中频信号经过滤波、放大后进入ADC模块。

A5)控制单元完成初步的信号处理后，通过USB3.0接口将数据发送给计算机；

具体包括：A501)控制单元中ADC模块对中频信号进行采样转换成数字信号，处理器对数字中频信号进行预处理；

A502)控制单元将预处理后的数据编码后发送给USB模块，通过USB线缆高速发送给计算机。

A6)计算机将预处理数据进一步运算和处理，然后显示用户所需要的网络参数曲线。

在进行多端口扩展应用时需要满足：各个矢量网络分析仪模块需要共用一个本振信号，共用一个时钟单元，共用同一个触发信号同时进行ADC采样。

矢量网络分析仪模块通过USB线缆连接到外置计算机后，计算机即刻自动检测识别矢量网络分析仪模块并将其配置到初始状态。计算机通过用户交互界面得知用户需求后，将控制命令通过USB发送给微控制器，微控制器调度管理各硬件单元，实现对被测件的信号激励以及反射(或传输)信号的接收测量，计算机对测量数据进行运算、处理后，在用户交互界面上显示被测件的网络参数。

矢量网络分析仪模块进行多端口扩展应用时需要满足以下三个关键条件：一，各个模块需要共用一个本振源，确保混频后的中频信号只受射频信号的影响；二，各个模块需要共用一个时钟单元，给所有模块的信号激励源、本振合成源、控制单元提供时钟参考；三，各个模块需要同时进行ADC采样，所以需要共用同一个触发信号。多端口矢量网络分析仪结构如图2所示，模块1的本振输出接口连接模块2的本振输入接口，模块2的本振输出接口连接模块3的本振输入接口，以此类推；模块1的参考输出接口连接模块2的参考输入接口，模块2的参考输出接口连接模块3的参考输入接口，以此类推；模块1的触发输出接口连接模块2的触发输入接口，模块2的触发输出接口连接模块3的触发输入接口，以此类推。多端口扩展级联后可以进行多端口网络参数测试。

该方案中记载的单个矢量网络分析仪模块通过USB3.0线缆连接计算机，可以对被测件进行信号反射测量(S₁₁)，两个模块级联可组成全双端口矢量网络分析仪，可以进行传输测量(S₂₁)，多个模块级联组成多端口矢量网络分析仪，可以实现多端口矢量网络参数的测试。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多端口矢量网络分析仪，包括若干矢量网络分析仪模块，各矢量网络分析仪模块包括屏蔽盒，屏蔽盒内设置电路板，其特征在于，所述电路板上集成信号激励源、本振合成源、混频接收单元、控制单元和时钟单元；

所述信号激励源通过锁相环方式产生宽带射频信号，射频信号经过放大、滤波、衰减处理后，对被测件进行激励；

本振合成源采用锁相环方式产生内部本振信号，内部本振信号和由本振输入接口输入的外部本振信号共同组成本振信号；

混频接收单元接收来自被测件的信号并对信号进行放大和混频得到中频信号；

中频信号经过滤波、放大后由控制单元的ADC模块转换成数字信号，控制单元对中频信号进行数字下变频、CIC抽取+FIR滤波处理后转变为零频信号，然后通过USB将数据传输给计算机，同时通过USB接收来自计算机的控制命令，调度管理各硬件单元。

2.如权利要求1所述的一种多端口矢量网络分析仪，其特征在于，在测试过程中，具体采用如下步骤：

A1)通过USB将各个矢量网络分析仪模块连接到外置计算机，计算机即刻自动检测识别矢量网络分析仪模块，并将其配置到初始状态；

A2)计算机通过用户交互界面得知用户需求后，将相应控制命令通过USB3.0发送给矢量网络分析仪模块的控制单元；

A3)控制单元按照接收到的命令执行相应的操作，并给各个矢量网络分析仪模块发送控制命令；

A4)各矢量网络分析仪模块中的硬件单元根据接收到的命令执行相应操作，完成对被测件的信号激励以及信号的接收；

A5)控制单元完成初步的信号处理后，通过USB3.0接口将数据发送给计算机；

A6)计算机将预处理数据进一步运算和处理，然后显示用户所需要的网络参数曲线。

3.如权利要求2所述的一种多端口矢量网络分析仪，其特征在于，所述步骤A1具体包括：

A101)矢量网络分析仪模块接通外部电源，给模块各个硬件单元提供电源，使其正常工作，通过USB HUB将多个矢量网络分析仪模块连接到计算机；

A102)计算机采用轮询的方式自动检测并识别到矢量网络分析仪模块；

A103)计算机通过USB接口将识别到的矢量网络分析仪模块配置到出厂时默认的或者用户自定义的仪器初始状态。

4.如权利要求2所述的一种多端口矢量网络分析仪，其特征在于，所述步骤A4具体包括：

A401)矢量网络分析仪模块中各硬件单元根据控制单元的命令进行相应操作；

A402)矢量网络分析仪模块中的时钟单元产生基准频率，为信号激励源、本振合成源、控制单元提供时钟参考，本振合成源产生本振信号，信号激励源产生射频信号，射频信号经过滤波、放大后，对被测件进行激励；

A403)混频接收单元接收到反射或传输信号后，经过低噪声放大器放大后与本振信号进行混频得到中频信号，中频信号经过滤波、放大后进入ADC模块。

5.如权利要求2所述的一种多端口测量矢量网络分析仪，其特征在于，所述步骤A5具体包括：

A501)控制单元中ADC模块对中频信号进行采样转换成数字信号，处理器对数字中频信号进行预处理；

A502)控制单元将预处理后的数据编码后发送给USB模块，通过USB线缆高速发送给计算机。

6.如权利要求1-5任一所述的多端口矢量网络分析仪，其特征在于，在进行多端口扩展应用时需要满足：各个矢量网络分析仪模块需要共用一个本振信号，共用一个时钟单元，共用同一个触发信号同时进行ADC采样。

7.如权利要求1-5任一所述的多端口矢量网络分析仪，其特征在于，单个所述矢量网络分析仪模块通过USB3.0线缆连接计算机，对被测件进行信号反射测量。

8.如权利要求1-5任一所述的多端口测量的矢量网络分析仪，其特征在于，两个所述矢量网络分析仪模块级联组成全双端口矢量网络分析仪，可以进行传输测量。