射频一体化矢量网络分析仪系统锁相技术

王新艳

(青岛职业技术学院软件与服务外包学院，山东青岛266555)

高性能射频一体化矢量网络分析仪系列是一种尖端测试仪器，具有传统矢量网络分析仪无法比拟的优点和更广泛的用途，集多功能、模块化、宽频带、高精度、高分辨率、大动态范围、快速实时、使用方便等特点于一身，首次采用Windows操作系统，更可靠并适合现代网络环境，使网络仪能够像其它办公或工业设备一样具有PC机的全部功能。系统锁相技术是宽带一体化矢量网络分析仪的关键技术，主要作用是保证本振源和射频源严格同步。本文介绍了系统锁相技术及辅助锁相电路的设计，并阐述了该电路有效缩短扫描时间的方法，以提高整个矢量网络分析仪测试速度

1 锁相环路的工作原理

锁相环是指由相位比较器(鉴相器)、环路滤波器和压控振荡器(VCO)组成的负反馈闭合环路[1]，其结构框图如图1所示。鉴相器是相位比较装置，对输入信号Fr和反馈网络的输出信号Fv的相位进行比较，产生对应于两个信号相位差的误差电压Se。环路滤波器的作用是滤除误差电压Se中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。压控振荡器受控制电压的控制，其输出Fo经反馈网络后的频率Fv向输入信号的频率靠拢，直至消除频差而锁定。锁相环是相位误差控制系统，比较输入信号和反馈网络输出信号之间的相位差，从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的输出频率，以达到与输入信号同频。

图1 锁相环路结构图

在环路开始工作时，如果输入信号频率与反馈网络输出频率不同，则由于两信号之间存在固有的频率差，它们之间的相位差势必一直在变化，结果鉴相器输出的误差电压就在一定范围内变化。在这种误差电压的控制下，压控振荡器的频率也在变化。若压控振荡器的频率能够变化到使反馈网络输出频率与输入信号频率相等，在满足稳定性条件下就在这个频率上稳定下来。

达到稳定后，输入信号和反馈网络输出信号之间的频差为零，相差不再随时间变化，误差电压为一固定值，这时环路就进入“锁定”状态。当锁相环入锁时，还具有“捕捉”信号的能力，VCO可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相环能捕捉到输入信号频率，并强迫VCO锁定在该频率上。

能够靠环路自身的作用最终实现锁定的最大的调谐振荡器初始失谐误差称为锁相环的捕捉带宽。环路锁定以后，由于某些内在条件或外在干扰的影响，环路可能会瞬时偏离锁定平衡，但这种失衡在一定频率范围内会被锁相环自动消除而建立新的平衡，最大允许偏离范围称为同步带宽。一般来说，同步带宽大于捕捉带宽，一旦失衡超出同步带宽，环路将永久失锁，除非有外部力量把调谐振荡器重新调谐到捕捉带宽以内。

2 射频一体化矢量网络分析仪辅助锁相技术

在宽带一体化矢量网络分析仪中，最高扫描频率可以达到9 GHz，为了具有更快的扫描测试速度，同时保证源输出信号的相噪指标，其锁相系统工作方式和以往的网络分析仪有所不同。新型矢量网络分析仪通过锁相辅助电路的设计，使锁相系统在开环状态下，跟踪特性就已达到很高的精度，不但缩短了捕获时间，还保证在快速锁相时系统具有良好的跟踪性能，实现了快速锁相，改善测量的速度和精度。其中的延时补偿、2.5 G偏移、数字预调斜坡和模拟斜坡电路共同组成了辅助锁相电路，保证环路即使在开环状态下，YIG振荡器的输出频率与参考频率也非常接近，减小了环路起始频差，提高了扫描速度。

2.1 数字预调斜坡电路

矢量网络分析仪扫描测试分为步进扫和模拟扫两种状态。步进扫时采用的是逐点锁相，具体电路实现中，为了保证数字预调电压能与小数环(输入参考频率)步进一致，整个扫描跟踪过程环路一直锁定，电路应用CS82C54作为分频控制器来产生时钟中断以精确控制数字预调电压。

图2所示为步进扫预调电压控制电路框图，环路在预调捕获时，计数器被CPU设置初始值，通过D/A转换为电压来调谐YIG调谐振荡器(YTO)，此时YTO产生的频率与参考频率非常接近，环路快速捕获成功。主CPU通过参考信号的扫描速度计算出合适的分频比送入分频控制电路，当参考频率步进斜升时，步进控制信号变为高电平，10 M信号进入分频控制电路，经过分频后的信号进入计数器的时钟输入端，引起计数器的变化，通过D/A转换后变为斜升的电压，数字预调电压控制YTO的频率，这样就保证了在逐点锁相时YTO频率与参考频率步进一致，环路快速进入稳定状态，节约大量时间[2]。步进扫参考频率与预调电压的关系见图3。

图2 步进扫预调电压控制电路

图3 步进扫参考频率与预调电压关系

图4为实现预调电压的具体电路原理图，N402作为计数器产生计数脉冲，同时作为12位计数器的时钟输入。N403、N404、N405级联组成12位计数器，12位计数器的计数输出作为每个扫描频率点的频率置数值输入到AD7945 D/A转换器中，转换后的模拟电压来粗调YTO输出到相应的频率。

图4 数字预调谐电路原理图

具体工作过程为：预调时，N402并不工作，CPU通过计算向N403、N404、N405内置数，所置数值通过D/A转换后调节YTO输出频率，使YTO的输出频率达到需要锁定的频率附近，然后环路进行锁相调节[3]。如果不能锁定，则需要再次预调，CPU重新向N403、N404、N405内置数，然后再进行锁相。预调过程可以重复多次直到环路锁定。

扫描开始时，N402由数据线输入数据，N403、N404、N405保持预调成功时的数据，N411-5为扫描控制信号，扫描时，每扫一个点就有一个脉冲，脉冲宽度不定，它与扫描的频率范围和点数有关，即与两个相邻扫描点的频率跨度有关，频率跨度越大，脉冲越宽，这样放到N402里的时钟信号越多，最终计数器产生的计数脉冲越多。计数器产生的计数脉冲输出作为12位边沿计数器的时钟输入信号，所以12位计数器计数输出的变化也就越大，D/A转换后生成的电压变化也变大，YTO的频率变化也就越大。这样，每个扫描点数字模拟转换器(DAC)的输出电压都能把YTO的频率预置到锁定的频率附近，然后环路再进行锁相调节。

由以上分析可知，Hscan信号和N402的数据共同作用可以决定数字预调谐斜坡的斜率，即在每两个扫描点之间的电压变化，N403、N404、N405所输入的数据为YTO的频率预调数据，决定了起始扫描时YTO的频率。

2.2 模拟斜坡电路

由于理想的二阶环可以跟踪频率斜升信号，具有固定的相位差，这个固定的稳态相差与扫描速率成正比，如果加大扫描速率，稳态相差随之加大，就可能进入非线性跟踪状态，再加大扫描速率，还会造成失锁[4]。为了提升扫描速度，当系统以更快的速度进行扫描时，数字预调斜坡不再是逐点精确置数，而只是在每个波段的起始点置一个值，锁定后由模拟斜坡电路产生一个均匀斜升的电压(如图5所示)，该电压变化与参考信号的频率变化一致，最终使得YTO的输出频率与参考频率在整个扫描过程中变化接近，锁相环路在这个基础上进行锁相。

该路模拟电压的斜率与测量跨度成正比，与扫描时间成反比。首先根据子扫描频率跨度及小数环(参考频率)步进确定扫描时间跨度TimeSpan；然后根据子扫频率跨度确定YTO所需电压的正常变化范围VoltSpan；最后利用公式计算需要设置的电压Volt=VoltSpan/Scale/TimeSpan，Scale需要校准得到。

快扫模拟斜坡电压产生电路如图6所示，主CPU通过计算将数据置于D/A，D/A输出所需电压，当参考频率开始扫描时，步进控制变为高电平，开关闭合，积分滤波器输出斜升的电压调谐YTO。

图5 快扫控制电压

图6 快扫模拟斜坡电压产生电路

2.3 延迟补偿电路

一般来讲，YTO的输出频率与所输入的驱动电流之间并不是完全线性关系，其有延迟特性，假设给定静态电流为200 mA时，YTO输出频率为2 G，而驱动电流由100 mA均匀变化到300 mA时，在200 mA点处振荡器的输出并不是2 G，比2 G略低，驱动电流的变化速率越快，这种现象就越明显，针对YTO的这种特性设计了延时补偿电路，通过对振荡器外加驱动电流的方式进一步保证开环状态下对YTO的精确控制，其计算公式为：V=K*FreqSpan/SweepTimes，其中，FreqSpan为扫描跨度，SweepTimes为扫描时间，K是常数，由YTO的特性实验决定。通过上述电路的共同作用，就可以确保YTO的控制电压非常精确。鉴相器的工作原理图如图7所示。

图7 鉴相器电路原理图

Q1和Q2与非的结果作为RD的输入，由于RD为高电平时时钟上升沿触发，RD为低电平时清零。当Q1、Q2都为高电平时，RD输入为低电平进行清零。N208-20作为开关的控制信号，当低电平时，鉴相器输出为低电平，不工作。Q1与Q2的输出为不同脉宽的脉冲，经过滤波就可以转化为脉动的直流信号来调节YTO的输出频率。图8只截取了仿真波形的一段，并不能代表Q1与Q2经滤波后的实际电压变化。

图8 仿真波形

3 结语

本文简要介绍了锁相的基本原理，着重介绍了高性能射频一体化矢量网络分析仪系统锁相的实现方法和工作原理。

[1] 闫亚力，杜会文，杜以涛，等.一种多环路宽带微波频率合成器设计[J].国外电子测量技术，2014，33(5)：48-51.

[2] 万耿华，凌云志.自校准YTO锁相环路的实现[J].微波学报，2011，27(3)：76-78.

[3] 何文青，宋春林，董航，等.数字锁相环提取位同步信号的改进与实现[J].无线电通信技术，2015，41(1)：74-76.

[4] 张厥盛，郑继禹，万心平.锁相技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011：87-110.