（本页是纯文字版，点此阅读完整版全文）

允许多用户同时使用一台矢量网络分析仪

Seong-Ho Son, Sungtae Hwang, Janghoon Jeong, Heunggoo Jun and Dal Ahn, Soonchunhyang University, Asan 31538, Republic of Korea and Yun Keun Park, Sanghyo Kang and Jae-Bok Lee, Erangtek, Hwaseong 18423, Republic of Korea

矢量网络分析仪（VNA）是一种分析电子设备电气特性的昂贵设备。它通过发送和接收电信号来测量和分析被测设备（DUT）的响应。这样就可以检查频率响应、反射和插入损耗等参数。VNA广泛应用于无线通信、雷达、天线、高频电路等的设计和测试。

通常情况下，这些VNA是为测量单个DUT而设计的，在测量多个DUT或同时有多个用户时会受到限制。为解决这一问题，现在的先进技术可在单个VNA中设置多个测量端口。¹目前，市场上有四端口、六端口、八端口和其他多端口VNA。然而，仅仅增加VNA的端口数会增加系统的复杂性并提高价格。或者，为了提高价格竞争力，可以使用开关矩阵来增加端口数。^2,3端口扩展的主要目的是促进多端口器件测量或分析多个S参数。端口扩展不允许独立用户同时使用一个VNA。

最近，本文的几位作者提出了一种NAS系统，允许多个用户同时独立使用一个VNA。⁴为了证明其可行性，该研究采用了一种用于端口扩展的开关矩阵，并提出了一种用于校准每个通道的去嵌入方法。不过，这项研究并未涉及高速切换方法。此外，开关矩阵是通过工作频率高达6GHz的SPDT开关实现的。然而，这不足以达到现有商用VNA的性能。本文介绍了一种高效开关模块及其最佳高速切换方法，使四个用户能够同时使用工作频率高达8.5GHz的商用双端口VNA。

总体系统

NAS系统主要包括用于扩展VNA端口的开关硬件，以及用于快速切换并向单个用户提供每个测量屏幕的软件。图1显示了拟议NAS系统的总体原理图。在这里，四个用户通过一个开关模块连接到一个双端口VNA，并在查看各自测量屏幕的同时测量DUT。

图1：NAS系统总体示意图。

开关模块包括两个SP4T开关，用于将每个VNA端口分成四个。如图1所示，VNA的端口A被分为A1到A4，端口B被分为B1到B4。每个用户分配两个端口，例如第一个用户分配A1和B1。SP4T开关的工作频率高达8.5GHz，可实现典型商用8.5GHz VNA的全部性能。此外，开关模块还包括一个微控制器单元（MCU）。它可控制SP4T开关的高速开/关，使所有用户都能同时访问单个VNA。使用这种技术，确定开关时间是一个关键问题，因为不完整的测量会导致误差。

开关硬件

图1的开关模块原理图将VNA的每个端口扩展为四个，MCU根据适当的开关时间依次打开和关闭端口。制作好的开关模块如图2所示。它的正面有两个端口，用于连接VNA，两侧各有四个端口，为每个用户提供两个端口。

图2：开关模块

在以前的工作中，⁴ 6GHz SPDT开关分两级连接，以实现VNA端口1:4的分割。在这项工作中，使用8.5GHz SP4T开关将一个输入连接到四个输出中的任意一个，反之亦然。SP4T的使用减小了开关模块的尺寸和端口之间的电缆长度。这些改进有望减少传输损耗。SP4T开关的工作频率扩展到8.5GHz，确保与商用VNA完全兼容。

制造的开关模块与半刚性射频电缆相连，以最大限度地减少电缆损耗并提高装配的简便性。由于传输信号的幅度和相位会随射频电缆长度的不同而变化，因此建议匹配电缆长度，以减少通道之间的电气误差。这些误差会使通道校准变得困难，并可能导致测量误差。⁵

对S参数进行了测量，以确定制造的开关模块的通道特性。⁶开关模块的性能评估包括测量特定路径的插入损耗、回波损耗和隔离度。插入损耗会降低通过开关模块的电缆、连接器和开关的信号功率。在测量插入损耗时，仅激活开关模块的特定路径，而关闭其他路径。使用VNA对激活路径上的S₂₁进行测量。图3a显示了端口A至所有相关输出组合的测量结果，图3b显示了端口B至所有相关输出组合的测量结果。所有八个路径的这些值都很相似，在最高工作频率8.5GHz时，从大约-0.7dB下降到-4dB。

图3：开关模块的插入损耗特性。

反射损耗测量的是由于传输路径中的阻抗失配或不连续性而向信号源反射的信号功率。当信号遇到阻抗变化时，例如在两条不同传输线的接口处或连接器处，部分信号会被反射而不是传输。端口A输出路径的结果如图4a所示，端口B输出路径的结果如图4b所示。在测量时，只启动了一条特定路径，并在路径的一端测量S₁₁。所有路径的特性相似，最坏情况约为-12dB。

图4：开关模块的反射损耗特性。

隔离度是指开关模块中两个不同路径之间的相互干扰程度。它表示输入一个路径的信号作为噪声或外部信号传输到其他路径的程度。隔离度越高，系统内不必要的信号干扰越小，从而提高NAS系统的精度和可靠性。本节显示的结果是分支端口之间的隔离度。例如，激活端口A和A1之间的路径后，分别测量端口A1和A2、端口A1和A3以及端口A1和A4之间的S₂₁。端口B的情况也是如此。端口A组合的结果如图5a所示，端口B组合的结果如图5b所示。不出意外，隔离性能会随着频率的增加而降低，但在8.5GHz时，隔离度低于约-55dB，显示出卓越的性能。

图5：开关模块的隔离特性。

开关软件

NAS系统的操作软件允许四个用户同时测量各自的被测件。该软件根据一系列开关时间表控制SP4T开关，依次激活四个通道。与此同时，VNA会测量每个激活通道的S参数，并将其显示在主屏幕上。主屏幕按通道划分，测得的S参数显示被传送到每个用户的显示器上。高速重复执行此操作，可让四名用户同时使用一台VNA。

使用这种技术，确定适当的开关时间以实现最高的测量速度就变得非常重要。必须确保VNA有足够的时间测量每个通道。VNA的测量时间不仅取决于测量条件（如中频带宽、测量点和标记数），还取决于所使用的商用VNA产品。

图6显示了整个NAS系统的运行时间。其中包括通道之间的切换时间和单周期时间。当发出切换命令时，通道1被激活，VNA执行测量。当通道2被激活时，VNA会执行另一次测量，此过程重复到通道4。然后，测量结果显示在主屏幕上，并被分割和传输到每个用户屏幕。如前所述，很难知道VNA的测量时间。假设通道之间的切换时间太短。在这种情况下，测量数据将不完整，因为新通道的测量在前一通道的测量完成之前就已开始。

图6：NAS系统的切换时间表

图7左侧显示了切换间隔太短时的测量结果屏幕。反之，如果切换间隔时间过长，用户的屏幕刷新时间就会过长，造成不便。为了消除这些问题，本研究开发了一种方法来设置最佳切换时间，以实现最高的切换速度。这种技术的依据是，当切换时间不足时，测量数据图像会在不同通道之间发生变化。图7右侧显示了根据通道间的差分图像设置最佳切换时间的概念。

图7：用于设置最佳切换时间的差分图像处理概念。

在自动设置环境中，每个通道的两个端口通过一根射频电缆直接连接，无需DUT。这样，所有通道都能获得相同的测量数据图像，从而提高了差分图像的准确性。在这项工作中，初始切换延迟时间设置为10ms，以获得图7左侧所示的测量数据图像。为了获得重要的差分图像，设置了感兴趣区域(ROI)而不是整个测量图像。⁷从通道1的参考图像中减去每个通道的ROI即可得到差分图像。所得到的差分图像如图7右侧所示。通道2和3的差分图像显示出像素的差异。造成这种差异的原因是切换时间较短。因此，有必要增加切换延迟时间。延迟时间根据每个差分图像中的像素数量进行调整。在这项工作中，阈值设定为100个像素。这个值是通过实验获得的，将切换时间设置为足够长的值，以确保四个测量图像几乎相同。然后根据100像素的阈值确定延迟时间。如果超过阈值，则在初始延迟时间的基础上增加1ms。此过程重复进行，直到不同像素的数量小于阈值。利用这一技术，确定了制造的NAS系统中每个通道之间的切换延迟时间分别为16ms、17ms和17ms。

接下来，需要确定周期时间。这是确定切换回通道1的时间所必需的。如果不确定这一点，通道1可能会在测量屏幕同步完成之前被切换，从而导致错误。这一过程与确定最佳切换时间的过程相同，如前所述。此过程产生的周期时间为250ms。

系统测试结果

图8显示的是组装好的NAS系统的图片。每个通道连接一个不同的被测件，其测量数据显示在每个用户的屏幕上。根据之前描述的确定高速切换时间的方法，周期时间优化为250ms。因此，每个用户屏幕上的测量数据每秒刷新四次。

图8：NAS系统设置。

确保每个通道测量结果的一致性也很重要。为了验证这一点，我们将给定DUT通过NAS系统的测量结果与直接连接到VNA的测量结果进行了比较。比较结果如图9所示。被测件是一个腔体滤波器，其通频带在3.1和4.8GHz之间。从NAS系统测得的数据与直接从VNA测得的数据非常吻合。

图9：DUT样品的测量结果。

结论

本文介绍了一种NAS系统，允许四个用户同时使用一个VNA。该系统旨在复制现有商用VNA的全部性能，工作频率高达8.5GHz。测量结果证实，各通道之间的特性几乎没有差别。作为这项技术的成果，在任何测量条件下都能自动设定最佳高速切换时间。所开发的NAS系统允许四个用户同时使用，每个用户屏幕的刷新时间为250ms。对于测量射频元件的特性或执行简单的调谐任务来说，这种刷新水平一般不会造成不便。因此，NAS系统减轻了使用昂贵的VNA的负担，提高了工作效率。

致谢

本研究得到了韩国教育部（MOE）资助的韩国国家研究基金会（NRF）"地区创新战略（RIS）"（2021 RIS-004）以及Soonchunhyang大学研究基金的支持。

参考文献

1. T. G. Ruttan, B. Grossman, A. Ferrero, V. Teppati and J. Martens, “Multiport VNA measurement,” IEEE Microwave Magazine, Vol. 9, No. 3, June 2008, pp. 56–69.
2. S. Azemzadeh, “A Guide to RF Switching Systems,” The RF Microwave Solutions Update, June 2008, pp. 34–44.
3. H. Heuermann, “Multiport S-parameter Calculation from Two-port Network Analyzer Measurements With or Without Switch Matrix,” 67th ARFTG Conference, San Francisco, Calif., U.S., 2006, pp. 219–222.
4. Y. Jang, C. I. Beak, D. M. Kim, D. Ahn and S.-H. Son, “A Sub-6 GHz Switching System for Simultaneous Use of 2-Port Network Analyzer by 4 Users,” International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, Vol. 2023, Article ID 8827119, 2023, 7 pages.
5. A. Rumiantsev and N. Ridler, “VNA Calibration,” IEEE Microwave Magazine, Vol. 9, No. 3, June 2008, pp. 86–99.
6. J. P. Dunsmore, “Handbook of Microwave Component Measurements: With Advanced VNA Techniques,” John Wiley & Sons, 2020.
7. A. C. Bovik, “The Essential Guide to Image Processing,” Academic Press, 2009.