矢量扫频仪是一种广泛应用于微波测量领域的仪器，可以说是微波电子电路器件设计的万用表。传统的矢量扫频仪存在体积大、质量重、价格昂贵以及普适性差等一系列问题。本文介绍了一种2-18GHz超宽带便携式简易矢量扫频仪射频前端。典型发射功率为12.5dBm，定标输出功率典型功率值为7dBm，-40dBm输入功率下测量输出典型功率值为-9dBm，空间泄露功率小于-70dBm。
一、系统任务指标
| 指标 | 参数要求 |
|---|---|
| 工作频率 | 2-18GHz |
| 中频接收频率 | 700MHz |
| 发射输出频率 | ≥10dBm |
| 接收增益 | ≥25dB |
| 跳频时间 | ≤30us |
| 接收输入功率范围 | -55dBm~-15dBm |
其可用于调试各种射频电路，例如用滤波器、放大分路/合路器；外接适当的定向耦合器或驻波电桥，能够测试（S11–>）输入输出阻抗；利用其接收机，还可以探测设备各级的信号幅度。
二、设计考量
1、频率源与定标通道
为实现待测件S 参数特性的精确测量，射频前端需提供幅度和相位已知的微波信号，通过分析待测件输入与输出信号的幅相差异，提取其S 参数特性。采用PLL频率合成方案（选用lmx2820）生成2-18GHz 超宽带快速扫频信号。
由于存在①PLL电路在锁定时初始相位不确定性，②链路增益随时间波动两问题。难以区分幅相偏移是由待测件引入，还是由PLL及链路增益变化引起。引入PLL2作为本振信号源，在射频前端设计中引入定标通道。两PLL 同步跳频，生成70MHz 固定中频信号，尽管每次锁定时链路增益及PLL1 初始相位未知，但其输出信号同时输入测试通道和定标通道。通过对两路信号的幅度和相位进行比较处理，可抵消初始相位不确定性和系统增益波动引入的幅相偏移，使结果仅反映待测件的幅相变化，从而实现S参数的高精度测量。
2、微波发射与接收电路
实际测试中，频率源会产生显著的高次谐波和分谐波分量，还会因混频器非线性产生四阶交调信号（140MHz）及更高阶交调分量。两PLL 的高次谐波在混频过程中进一步耦合，频谱中出现复杂的杂散信号，增加了信号处理的复杂度。考虑到这一非线性特性可能引入的频谱干扰，接收电路中频滤波器采用了带宽仅为5MHz的声表面波滤波器SAW，以有效抑制混频过程中产生的杂散信号，包括高阶交调分量和谐波混频产物。
3、空间泄露
空间泄露导致的接收灵敏度恶化是一个不可避免的问题。若PLL1 产生的信号通过空间路径耦合至接收端口，并与PLL2 的本振信号混频，所产生的70MHz 中频信号将无法准确表征待测件的S 参数特性。因此，依据项目指标要求，对射频前端的空间泄露信号进行了严格的定量标定。
三、设计实现
射频前端包含四个核心端口：①发射输出、②定标输出、③测量输出、④测量输入。系统采用全相参设计，两PLL由50MHz 参考晶振同步驱动，确保频相稳定性。
设计总体方案和该射频前端实物图如下。
四、测试
测试结果如下图，经测试：该系统的发射功率典型值为12.5dBm ， 定标输出典型功率值为7dBm；在测量输入功率为-40dBm 时，测量输出典型功率值为-9dBm，接收增益在25.7-31.2dB范围内；无“测量输入”时测试“测量输出”端，得到空间泄露功率低于-70dBm。系统供电电压为5.5V，工作电流为1.6A，所有性能指标均符合设计要求。
该射频前端能够满足绝大多数微波测量场景的应用需求，为超宽带矢量网络分析提供了可靠的技术支持。
- 本文作者： Eva
- 本文链接： https://tingtingeva.github.io/2025/05/27/2-18GHz简易矢量扫频仪/
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