CN208597083U - 一种简易x波段网络分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种简易X波段网络分析仪，包括微波信号产生和测试模块和电子校准模块，以及对微波信号产生和测试模块和电子校准模块进行控制的嵌入式单片机模块；所述的微波信号产生和测试模块和电子校准模块中两个定向耦合器用于耦合一个端口输入信号和输出信号；由单片机模块控制的单刀四掷射频开关选择四个定向耦合器中的一个与同步本振源的输出接混频器混频以后由滤波器滤波后形成70M中频信号输入对数检波器测量功率，然后进入AD采样器进行AD转换以后进入单片机处理显示。本实用新型的网络分析仪频段覆盖8～12GHz，机内信号源采用晶振驱动锁相环实现，信号源采用自动幅度控制电路，确保全频带***频输出幅度稳定。特点是价格便宜，适合于生产线上使用。

Description

一种简易X波段网络分析仪

技术领域

本实用新型涉及微波网络分析仪领域，特别涉及一种简易X波段网络分析仪。

背景技术

随着军事和民用电子和通讯技术的迅猛发展，对电子器件、模块以及***的高速高精度测试也提出了极高的要求。微波网络分析仪是测试微波产品散射参数(S参数)的主要设备，微波网络分析仪的发展经历从手动模式到自动模式、从狭窄频段测试到到宽频带任意扫频测量、动态范围从30dB跨越至100dB。如今，随着网络分析仪的应用越来越广，世界各大测试仪器公司的网络分析仪产品己经系列化、标准化，成为微波毫米波测量仪器技术的集大成者，应用领域也从传统的无源线性微波网络测试，扩展到了大功率器件、非线性器件、雷达散射截面、天线及TR组件等测试领域。

目前国际上高性能矢量网络分析仪的生产商主要集中于是德科技(原安捷伦科技)和罗德施瓦茨公司，价格十分昂贵，其高端网络分析仪需几百万人民币报价，其低端产品报价与国产的中电41所相当，根据配置不同报价约20～40万。另外网络分析仪由于属于精密仪器，对使用环境要求极高。可见，考虑仪器的采购成本以及产线恶劣的温湿度或粉尘环境，此类昂贵的精密仪器不适合在产线大规模使用。

适合产线大规模使用的网络分析仪具有以下特点：(1)低成本，单个网络分析仪的采购成本足够低即能够保证每条产线甚至每个测试调试工位都能够配置一台，极大的提高了微波产品的生产效率；(2)全封闭，要求网络分析仪物理密封，与外部环境隔绝，既提高了产品的可靠性和使用寿命，也降低了仪器自身的维护成本；(3)模块化设计，方便日常维护保养、故障定位维修等工作；(4)易操作，产线用网络分析要要求使用方便、操作界面简洁、易培训等特点，适合技术能力不高的产线工人使用；(5)智能化，具有多种通信接口、兼容自动化测试***、测试数据自动上传等功能。针对低成本的简化网络分析仪设计，有众多学者进行了研究。文献【1】(孙霞，季震.简易矢量网络分析仪设计.仪器仪表用户，2016，23(1)49-51)提出一种基于32位ARM微控制器的简易智能化网络分析仪，信号源由专用集成DDS芯片AD9854产生两路正交扫频信号，两路正交输出的信号经椭圆滤波器滤波后经可变增益放大器调节幅度，再经RLC网络调整相移，得到指定幅度和相移信号。信号检测由模拟乘法器实现，数据经模数转换由嵌入式处理器分析后由液晶屏显示幅频、相频特性曲线。该网络分析仪设计仅限于几十兆赫兹的低频段测试领域。文献【2】(熊伟.一款经济型矢量网络分析仪若干模块的设计与实现.华东师范大学硕士论文，2009.)开发了一款经济型矢量网络分析仪，提出了一种基于取样技术的变频方案，射频信号仅经过一次变频变为中频信号，避免使用传统网络分析仪多次变频的设计架构，信号的幅度和相位检波均在中频进行。网络分析仪所使用的信号源采用多个振荡源覆盖工作频段，为保证信号质量，采用双模前置分频的锁相技术。此外文献还设计制作基于取样变频方案的阶跃脉冲取样源。该网络分析仪所使用的信号源尽管采用了锁相技术，但信号源的杂散较高、相位噪声水平较差，严重限制了网络分析仪的使用动态范围和频率分辨率。文献【3】(聂佰玲.基于DDS技术的1GHz标量网络分析仪研制.南京航空航天大学硕士论文，2006.)介绍了一种针对电视频段和移动通信频段的智能化标量网络分析仪，硬件频率源采用直接数字合成芯片(DDS)直接驱动锁相环生产，射频信号采用超外差接收模式下变频为中频信号后进行检波和模数转换，采用C8051作为控制和数据处理芯片。该网络分析仪具有高动态范围、简易化、低成本等优点。其频率范围最高位1GHz，由于网络分析仪的信号源调试未达到理想状态，信号源的杂散抑制和相位噪声水平较差，限制了其在高频率分辨率应用场合下的使用。文献【4】(钟波.X波段标量网络分析仪的研究.电子科技大学硕士论文，2010)设计了一套标量网络测量仪器，设计并优化了信号源自动稳幅装置，并引进了一种测量信号源反射系数的方法，有效的改善了信号源源的匹配特性，进而采用固定衰减器对待测端信号进行去耦，从而改善了负载端口匹配性能，最大限度降低了测试***由于端口失配造成的测量误差。其硬件电路采用射频直接检波技术，由于检波二极管在高频段检波灵敏度不足以及电路设计和调试未处于最佳状态，导致该网络分析仪无法检测-35dBm以下强度的射频信号，极大地限制了仪器的测试动态范围，仪器使用性能局限较大。

综上可知，目前商用网络分析仪成本高，不能够在产线大面积布置，难以适应微波产品的大规模调试和生产；且对环境温湿度要求较高，不适用于产线等恶劣生产环境；另外对使用者的技术水平要求较高，不适合产线工人使用。而专用的低成本简化网络分析仪设计多集中于几十至几百兆赫兹的低频段测试领域；同时所使用的信号源杂散较高、相位噪声水平较差，严重限制了网络分析仪的使用动态范围和频率分辨率；另外所使用的高频段检波灵敏度不足，无法检测微弱信号，限制了仪器的测试动态范围，仪器使用性能局限较大。

实用新型内容

针对目前微波网络分析仪的上述不足，本实用新型提供一种简易X波段网络分析仪。

本实用新型实现其技术目的技术方案是：一种简易X波段网络分析仪，包括微波信号产生和测试模块和电子校准模块，以及对微波信号产生和测试模块和电子校准模块进行控制的嵌入式单片机模块；所述的微波信号产生和测试模块和电子校准模块包括覆盖X波段的微波信号源、与所述的微波信号源同步的同步本振源、四个定向耦合器、两个端口、单刀四掷射频开关、混频器、滤波器、对数检波器和AD采样器；两个定向耦合器用于耦合一个端口输入信号和输出信号；由单片机模块控制的单刀四掷射频开关选择四个定向耦合器中的一个与同步本振源的输出接混频器混频以后由滤波器滤波后形成70M中频信号输入对数检波器测量功率，然后进入AD采样器进行AD转换以后进入单片机处理显示。

本实用新型的网络分析仪频段覆盖8～12GHz，机内信号源采用晶振驱动锁相环实现，信号源采用自动幅度控制电路，确保全频带***频输出幅度稳定。且价格便宜，适合于生产线上使用。

进一步的，上述的简易X波段网络分析仪中：微波信号源和同步本振源包括第一锁相环、第二锁相环、晶振、分路器；

所述的晶振的输出通过分路器分成两路；

一路通过第一锁相环获得微波信号源；另一路通过第二锁相环获得同步本振源；

在所述的微波信号源上还设置有幅度精确控制模块。

进一步的，上述的简易X波段网络分析仪中：所述的幅度精确控制模块包括耦合器E、检波器、幅度精确控制器和数控衰减器；所述的数控衰减器设置在第一锁相环的输出端，所述的耦合器E对第一锁相环输出信号进行耦合获得的耦合信号输入到检波器，检波器的输出接幅度精确控制器，幅度精确控制器控制数控衰减器，使输出微波信号幅度精准。

以下将结合附图和实施例，对本实用新型进行较为详细的说明。

附图说明

图1为本实用新型实施例1简易X波段网络分析仪中微波信号源产生和测试模块***框图。

图2为图1中微波信号源和同步本振源设计框图。

图3为本实用新型实施例1简易X波段网络分析仪中单片机控制和显控触摸屏示意图。

图4为本实用新型实施例1简易X波段网络分析仪校准件部件示意图。

图5为本实用新型实施例1简易X波段网络分析仪校准和测试流程。

具体实施方式

本实施例是一种简易X波段网络分析仪，

一种简易X波段网络分析仪，包括微波信号产生和测试模块和电子校准模块，以及对微波信号产生和测试模块和电子校准模块进行控制的嵌入式单片机模块；微波信号产生和测试模块和电子校准模块如图1所示包括覆盖X波段的微波信号源、与微波信号源同步的同步本振源、四个定向耦合器(A、B、C、D)、两个端口(端口1和端口2)、单刀四掷射频开关、混频器、滤波器、对数检波器和AD采样器；两个定向耦合器用于耦合一个端口输入信号和输出信号；由单片机模块控制的单刀四掷射频开关选择四个定向耦合器中的一个与同步本振源的输出接混频器混频以后由滤波器滤波后形成70M中频信号输入对数检波器测量功率，然后进入AD采样器进行AD转换以后进入单片机处理显示。

本实施例中，微波信号源产生和测试模块的***框图如图1所示，微波信号源产生覆盖X波段(8～12GHz)的微波信号源，为扩展信号检测的动态范围，需将X频段下变频至70MHz中频进行检波，因此还频率源部分还需要包含7.93～11.93GHz的同步本振源(本振源与微波源同步扫频，确保中频输出保持为70MHz)。本实施例为双路简易X波段网络分析仪，因此采用高隔离度的单刀双掷开关将微波信号源分为两路，分别从测试端口1和端口2输出。

信号幅度检测的重要元件为定向耦合器，具有较高的方向隔离度和稳定的耦合度指标，用于测试微波信号主传输线上流动的正向和反向微波分量。如图1所示框图中包含4个定向耦合器，当端口1输出功率时，定向耦合器A用于测量端口1的正向传输功率，而定向耦合器B用于测量端口1的反向传输功率，定向耦合器C用于测量端口2的入射功率，如果四个定向耦合器具有相同的耦合度，则耦合器B的测量值与耦合器A测量值之比即为端口1的反射(即S₁₁)，耦合器C的测量值与耦合器A测量值之比即为端口1至端口2传输值(即S₂₁)。当端口2输出功率时，定向耦合器D用于测量端口2的正向传输功率，而定向耦合器C用于测量端口2的反向传输功率，定向耦合器B用于测量端口1的入射功率，则耦合器C的测量值与耦合器D测量值之比即为端口2的反射(即S₂₂)，耦合器B的测量值与耦合器D测量值之比即为端口2至端口1传输值(即S₁₂)。

为避免因使用多路下变频接收机导致的各路幅频响应不一致所带来的测试误差，本实施例采用单刀四掷射频开关SP4D分时选通四个定向耦合器A、B、C、D的接收信号。选通的射频信号与本振信号混频后采用窄带滤波器取其下变频信号，再采用对数检波器将微波功率信号转变为电压信号供模数转换芯片采样。本实施例为双路标量简易X波段网络分析仪，只检测信号的功率，而丢掉相位信息，幅度检波在70MHz中频实现，因而易于采用大动态范围检波器实现功率检波，本实施例采用90dB动态范围的对数检波器，可实现功率范围-80dBm～10dBm的射频信号幅度检波。

微波信号源和同步本振源是本实施例的核心部件，如图2所示，两者均采用锁相环(PLL)实现，两个锁相环参考同一晶振源，晶振根据频率稳定性的需要可采用温补晶振(价格低)或恒温晶振(价格高)。微波信号源产生8～12GHz的扫频微波信号，同步本振源产生7.93～11.93GHz协变信号(与微波信号源相差70MHz，即中频频率)。微波信号源需要精确的控制幅度，配置有耦合器检波，实时监测信号源的输出功率，如有波动，则控制数控衰减器进行功率调整。数控衰减器的另一个作用是大范围调整信号源的输出功率，在某些有源电路测试中(例如低噪声放大器)，需要将信号源的输出功率降低，避免有源电路出现过激励情况。信号源的输出功率可通过触屏控制面板设置，输出功率一旦重新设置，测试***状态改变，则简易X波段网络分析仪需重新校准，以保证数控衰减器的步进误差能够消除。而用于稳幅的数控衰减器，由于调整的幅度很小(0.125～1dB)，因而即便不重新校准其测试误差也在***误差范围内。

嵌入式单片机设计方案如图3所示，其基本功能划分如下：(1)控制外设硬件，包含两路串口外设信号(SPI)分别用于控制信号源和同步本振源扫频，多路通用控制端口(GPIO)用于微波信号源和测试模块的各个射频开关的选路以及数控衰减器的并口置数，模数转换(AD)用于对数检波器检波电压的采样和数字化；(2)实现数据处理、显示和存储，并通过网络、USB、GPIB等接口与外界实现信息交换；(3)触摸屏的指令读入与显示数据输出。

本实施例所选用的嵌入式单片机集成了Uart串口、异步串行通信Sci、Spi串口、AD转换以及若干通用输入输出口，最高工作频率为44MHz，片内内置的FLASH空间为512k，即可存放源程序，也可存储部分数据，外挂8M非易失EEROM实现大数据量的存储。本实施例采用并口触摸屏实现测试数据图形显示以及仪器参数设置。本实施例选用10.2英寸真彩触摸屏，1024x600圆形点阵，64级显示屏亮度调节，触摸屏支持界面图形操作，使得仪器操作极其便利和直观。

简易X波段网络分析仪校准件内部部件如图5所示，分别包含开路器、短路器、匹配负载以及直通线四种校准部件，通过一对单刀四掷开关选择校准通路，各校准件以内参面2为基准，校准时应以外参考面1为基准，因此校准解算时应扣除内外参考面之间的电长度相移。

本实施例设计的简易X波段网络分析仪，其架构简单、使用器件均为商用器件，具有低成本优点，可确保产线大规模使用。简易X波段网络分析仪各个模块采用全封闭水密设计，与外部环境隔绝，耐各种恶劣的使用环境，提高了产品的可靠性和使用寿命，也降低了仪器自身的维护成本。本实施例所设计的简易X波段网络分析仪采用模块化设计，方便日常维护保养、维修或替换。

简易X波段网络分析仪软件主要实现底层硬件功能控制、射频检测、数据处理以及测试报表生成等任务。根据仪器的使用流程，简易X波段网络分析仪的使用包含校准、测试和数据处理显示几个步骤：如图5所示：

1)校准，首先通过触屏控制面板设置校准参数，例如频率范围、扫频点数以及频率源功率等；其次，接入电子校准件，分别校准开路、短路、匹配负载以及直通，通过内部运算计算出简易X波段网络分析仪各个误差项；

2)测试，接入待测件，首先控制简易X波段网络分析仪端口1发射功率，测试S₁₁和S₂₁，其次控制简易X波段网络分析仪端口2发射功率，测试S₁₂和S₂₂；换下一个扫频频点重复测试S参数，扫频结束后重新从起始频点开始扫描；

3)数据处理和显示，简易X波段网络分析仪每测试完一个频点的S参数，即立刻进行数据处理并实时显示(即更新显示器的该频点的数据)。

本实施例的关键点：

本实施例设计的X波段标量网络分析仪采用模块化设计，方便日常维护保养、维修等工作，使用器件均为商用器件，具有低成本优点。

本实施例所设计的简易X波段网络分析仪硬件电路与外部环境隔绝，耐各种恶劣的使用环境。

本实施例所设计的简易X波段网络分析仪使用触屏显示，使用方便、操作界面简洁、操作人员易培训。

本实施例所设计的简易X波段网络分析仪具有多种通信接口、兼容自动化测试***、测试数据自动上传等功能。

本实施例所设计的简易X波段网络分析仪频段覆盖8～12GHz，机内信号源采用晶振驱动锁相环实现，信号源采用自动幅度控制电路，确保全频带***频输出幅度稳定。

本实施例所设计的简易X波段网络分析仪中射频信号检测采用信号下变频为中频再进行对数检波的幅度检测方式，链路中使用数控衰减器进一步扩大***的动态范围达到90dBc。

本实施例所设计的简易X波段网络分析仪使用专用的低成本电子校准件，实现一键式校准，提高了测试效率。

现有技术相比具有如下特点：

本实施例设计的X波段标量网络分析仪，其架构简单、使用器件均为商用器件，具有低成本优点，可确保每条产线甚至每个调试工位都能够配置一台。

本实施例所设计的简易X波段网络分析仪采用全封闭水密设计，与外部环境隔绝，耐各种恶劣的使用环境，既提高了产品的可靠性和使用寿命，也降低了仪器自身的维护成本。

本实施例所设计的简易X波段网络分析仪具有模块化设计，方便日常维护保养、维修等工作。

本实施例所设计的简易X波段网络分析仪具有使用方便、操作界面简洁、操作人员易培训等特点，适合技术能力不高的产线工人使用。

本实施例所设计的简易X波段网络分析仪具有多种通信接口、兼容自动化测试***、测试数据自动上传等功能。

本实施例所设计的简易X波段网络分析仪频段覆盖8～12GHz，机内信号源采用晶振驱动锁相环实现，具有低相位噪声、低杂散等优点，且信号源采用自动幅度控制电路，确保全频带***频输出幅度稳定。

本实施例所设计的简易X波段网络分析仪中射频信号检测采用信号下变频为中频再进行对数检波的幅度检测方式，链路中使用数控衰减器进一步扩大***的动态范围达到90dBc。

本实施例所设计的简易X波段网络分析仪使用专用的低成本电子校准件，实现一键式校准，提高了测试效率。

与现有技术比较，本实施例设计的X波段标量简易X波段网络分析仪，其架构简单，采用模块化设计、使用器件均为商用器件，具有低成本优点，可确保每条产线甚至每个调试工位都能够配置一台。简易X波段网络分析仪采用全封闭水密设计，与外部环境隔绝，耐各种恶劣的使用环境，既提高了产品的可靠性和使用寿命，也降低了仪器自身的维护成本；本实施例所设计的简易X波段网络分析仪具有使用方便、操作界面简洁、操作人员易培训等特点，适合技术能力不高的产线工人使用；本实施例所设计的简易X波段网络分析仪频段覆盖8～12GHz，机内信号源采用晶振驱动锁相环实现，具有低相位噪声、低杂散等优点，且信号源采用自动幅度控制电路，确保全频带***频输出幅度稳定；本实施例所设计的简易X波段网络分析仪中射频信号检测采用信号下变频为中频再进行对数检波的幅度检测方式，链路中使用数控衰减器进一步扩大***的动态范围达到90dBc；本实施例所设计的简易X波段网络分析仪使用专用的低成本电子校准件，实现一键式校准，提高了仪器的使用效率。

Claims (3)

1.一种简易X波段网络分析仪，包括微波信号产生和测试模块和电子校准模块，以及对微波信号产生和测试模块和电子校准模块进行控制的嵌入式单片机模块；其特征在于：所述的微波信号产生和测试模块和电子校准模块包括覆盖X波段的微波信号源、与所述的微波信号源同步的同步本振源、四个定向耦合器、两个端口、单刀四掷射频开关、混频器、滤波器、对数检波器和AD采样器；两个定向耦合器用于耦合一个端口输入信号和输出信号；由单片机模块控制的单刀四掷射频开关选择四个定向耦合器中的一个与同步本振源的输出接混频器混频以后由滤波器滤波后形成70M中频信号输入对数检波器测量功率，然后进入AD采样器进行AD转换以后进入单片机处理显示。

2.根据权利要求1所述的简易X波段网络分析仪，其特征在于：微波信号源和同步本振源包括第一锁相环、第二锁相环、晶振、分路器；

所述的晶振的输出通过分路器分成两路；

一路通过第一锁相环获得微波信号源；另一路通过第二锁相环获得同步本振源；

在所述的微波信号源上还设置有幅度精确控制模块。

3.根据权利要求2所述的简易X波段网络分析仪，其特征在于：所述的幅度精确控制模块包括耦合器E、检波器、幅度精确控制器和数控衰减器；所述的数控衰减器设置在第一锁相环的输出端，所述的耦合器E对第一锁相环输出信号进行耦合获得的耦合信号输入到检波器，检波器的输出接幅度精确控制器，幅度精确控制器控制数控衰减器，使输出微波信号幅度精准。