在射频与微波工程领域，矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer, VNA）作为测量器件 S 参数的核心仪器，其硬件架构经历了从模拟超外差到全数字信号处理的深刻变革。现代 VNA 不仅需要覆盖从 kHz 到 THz 的宽频带范围，还要在动态范围、测量精度和实时性之间取得精妙平衡。本文将深入探讨 VNA 的硬件架构设计、自动校准算法的工程实现，以及现代数字信号处理技术如何重塑这一传统测量设备的性能边界。
硬件架构设计：从射频前端到数字处理流水线
现代矢量网络分析仪的硬件架构可以划分为三个关键层次：射频前端、中频处理单元和数字信号处理流水线。这一分层架构的设计哲学源于对测量精度、系统稳定性和可扩展性的综合考量。
射频前端：超外差架构的工程实现
射频前端是 VNA 性能的基石，其核心采用超外差（Superheterodyne）架构。该架构通过混频器将高频射频信号下变频至固定的中频（IF），这一设计巧妙规避了直接对高频信号进行数字化所面临的工程挑战。如德思特应用文章所述，“混频器将经前端低噪声放大器（LNA）初步放大的高频回波，与一个高稳定度的本振信号进行混频，将其转换至百兆赫兹（MHz）或较低的吉赫兹（GHz）中频”。
在实际工程中，射频前端包含以下关键组件：
- 可编程射频源：生成扫频测试信号，频率精度通常优于 1ppm
- 定向耦合器网络：分离入射波和反射波，实现双向测量
- 低噪声放大器（LNA）：前置放大微弱信号，噪声系数通常低于 3dB
- 双平衡混频器：实现频率转换，端口隔离度需大于 30dB 以抑制本振泄漏
- 本振合成器：提供高稳定度、低相位噪声的参考信号，相位噪声在 10kHz 偏移处通常优于 - 110dBc/Hz
中频处理与数字化
中频处理单元负责将混频器输出的中频信号进行调理和数字化。这一阶段的设计要点包括：
- 中频滤波器：采用可编程带宽的带通滤波器，抑制带外噪声和镜像频率
- 自动增益控制（AGC）：动态调整信号幅度，确保 ADC 工作在最佳线性区间
- 高速 ADC：采样率通常为 100MSps 至 1GSps，分辨率 14-16 位，有效位数（ENOB）大于 12 位
现代 VNA 普遍采用多通道 ADC 架构，每个测量端口配备独立的 ADC 通道，实现真正的同步采样。这种设计消除了通道间的时间偏差，为高精度相位测量奠定了基础。
数字信号处理流水线：FPGA 实现的实时处理
数字化后的信号进入数字信号处理（DSP）流水线，这是现代 VNA 区别于传统仪器的核心特征。基于 FPGA 的硬件加速架构使得复杂的信号处理算法能够实时执行。
数字下变频与滤波
数字下变频（DDC）是 DSP 流水线的第一站，通过数字混频和抽取将中频信号搬移至基带。这一过程在 FPGA 中实现，关键参数包括：
- 数控振荡器（NCO）精度：通常为 32-48 位，频率分辨率可达 0.01Hz
- 抽取滤波器：采用多级 CIC 滤波器与 FIR 滤波器级联，通带纹波小于 0.01dB
- 处理延迟：整个 DDC 链路的群延迟需严格校准和补偿
FFT 与频域分析
快速傅里叶变换（FFT）将时域信号转换为频域表示，这是 S 参数计算的基础。现代 VNA 采用以下优化策略：
- 并行 FFT 引擎：在 FPGA 中实现多个并行 FFT 计算单元，支持同时处理多个频点
- 窗函数选择：提供多种窗函数（汉宁窗、平顶窗、凯撒窗）以适应不同测量场景
- 频谱平均：支持指数平均和线性平均，改善测量信噪比
S 参数计算与误差校正
S 参数计算是 VNA 的核心算法，基于入射波和反射波的复数比值。这一过程需要实时应用误差校正模型，现代 VNA 普遍采用 12 项误差模型，包含：
- 正向误差项：直接性误差、反向串扰、源匹配误差、负载匹配误差
- 反向误差项：与正向对称的四个误差项
- 系统误差：频率响应误差、端口间延迟误差
误差校正算法在 FPGA 中实现流水线处理，每个测量点完成数字化后立即进行误差补偿，确保实时性要求。
自动校准算法：从理论模型到工程实践
校准是 VNA 测量精度的生命线，现代 VNA 的自动校准算法已经发展为一套完整的工程解决方案。
校准方法的选择与优化
根据测量场景的不同，VNA 支持多种校准方法：
- SOLT（短路、开路、负载、直通）：最常用的校准方法，适用于同轴连接环境
- TRL（直通、反射、负载）：适用于非插入式测量，对传输线特性阻抗要求严格
- LRRM（负载、反射、反射、匹配）：改进的 SOLT 方法，提高负载标准的精度
如腾讯云开发者社区文章所述，“E5071C 支持多种校准方法，包括 SOLT、TRL 和 LRRM，用户可以根据实际需求选择最合适的校准方法”。在实际工程中，校准算法的选择需要考虑以下因素：
- 连接器类型：同轴、波导、PCB 探针等
- 频率范围：低频段优先 SOLT，高频段优选 TRL
- 测量精度要求：高精度应用需要更复杂的校准模型
自动夹具移除（AFR）功能
对于 PCB 板载器件等非同轴测量场景，测试夹具会引入显著的测量误差。AFR 功能通过以下步骤去除夹具效应：
- 夹具表征：测量 2 倍直通标准件，提取夹具的 S 参数
- 去嵌入处理：从原始测量数据中数学移除夹具的传输特性
- 误差边界计算：评估去嵌入过程引入的不确定性
电子工程专辑文章详细描述了 AFR 的实际应用：“自动夹具移除 AFR 选件，添加了功能强大的向导程序，引导您表征夹具并从测量结果中移除夹具效应”。这一功能特别适用于测量超低损耗传输线、高速连接器等对夹具效应敏感的应用。
现代数字处理技术的工程挑战与解决方案
相位噪声与稳定性
在高频测量中，相位噪声成为限制测量精度的主要因素。现代 VNA 采用以下技术应对这一挑战：
- 超低相位噪声本振：采用锁相环（PLL）与恒温晶体振荡器（OCXO）组合
- 数字相位补偿：实时监测和补偿本振相位漂移
- 相干平均：利用多次测量的相干性抑制随机相位噪声
实时性与处理延迟
对于高速扫描应用，处理延迟可能成为瓶颈。优化策略包括：
- 流水线深度优化：平衡处理延迟与资源利用率
- 并行架构：多通道独立处理，避免资源竞争
- 预计算与查表：将复杂计算转换为查表操作
温度稳定性与长期漂移
VNA 需要在宽温度范围内保持测量稳定性，工程解决方案包括：
- 温度补偿算法：基于温度传感器的实时补偿
- 定期自校准：设定时间或温度阈值触发自动校准
- 老化模型：建立仪器老化对性能影响的数学模型
可落地参数与工程清单
硬件选型参数
- 频率范围：根据应用需求选择，5G NR FR2 需要覆盖至 44GHz
- 动态范围：通常大于 120dB，高精度应用需要 140dB 以上
- 输出功率：可编程范围通常为 - 30dBm 至 + 10dBm
- 端口数量：2 端口为基础，多端口系统支持 MIMO 器件测试
- 中频带宽：可编程范围 1Hz 至 10MHz，窄带宽提高灵敏度，宽带宽提高速度
校准套件配置
- 校准标准件：机械校准件或电子校准件（ECal）
- 校准精度：SOLT 校准后剩余方向性通常大于 40dB
- 校准速度：ECal 可在 1 分钟内完成全频段校准
- 温度补偿：校准数据包含温度系数信息
信号处理参数
- FFT 点数：通常为 201 至 1601 点，影响频率分辨率
- 平均次数：指数平均时间常数可调范围 0.1-100 秒
- 触发模式：支持内部、外部、总线触发
- 数据格式：支持实数 / 复数、线性 /dB、幅度 / 相位多种格式
系统集成参数
- 编程接口：SCPI 命令集、IVI 驱动程序、Python API
- 数据吞吐率：USB 3.0 或 LAN 接口，传输速率大于 100MB/s
- 同步能力：支持多台仪器级联和同步触发
- 远程控制：支持 Web 界面和远程桌面访问
未来发展趋势
随着 5G/6G 通信、毫米波雷达、量子计算等新兴技术的发展，VNA 的硬件架构将继续演进：
- 更高频率：向 THz 频段扩展，支持太赫兹通信和成像
- 更高集成度：采用硅基毫米波技术，减小体积和功耗
- 智能化校准：基于机器学习的自适应校准算法
- 云原生架构：测量数据直接上云，支持分布式分析和协作
结语
矢量网络分析仪的硬件架构演进反映了射频测量技术的整体进步。从模拟超外差到全数字处理，从手动校准到智能误差补偿，现代 VNA 已经成为高度集成的测量系统。工程师在选择和使用 VNA 时，需要深入理解其硬件架构的内在逻辑，合理配置测量参数，才能充分发挥仪器性能，应对日益复杂的射频测量挑战。
在工程实践中，成功的 VNA 应用不仅依赖于先进的硬件，更需要工程师对测量原理的深刻理解和对误差来源的精准把控。只有将理论模型、硬件性能和实际应用场景紧密结合，才能在射频测量的精度与效率之间找到最佳平衡点。
资料来源：
- 是德 E5071C 矢量网络分析仪高精度测量，腾讯云开发者社区，2025-02-20
- AFR 是什么？如何使用网络分析仪的 AFR 功能，电子工程专辑，2024-12-03