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N2PK矢量网络分析仪简介及制作
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这几年，国内HAM的实践水平和理论水平不断提高。DIY的套件层出不穷，各种调试测量用的设备也不断涌现。下面介绍的是一种RF测量仪器，矢量网络分析仪（VNA），简称“矢网”。
什么是“矢网”？
“矢网”可以测量和分析加载到一个网络上面的交流信号的幅度和相位，这个网络可以是任意的器件，包括电阻、电容﹑电感﹑放
大器﹑耦合器等。爱好者们常用的天线分析仪就是一种特殊结构的“矢网”。天线分析仪可以测量发送到天线端的交流信号的幅值和相位，同时也能测量天线反射回
来的信号的幅值和相位。这些测量，可以得到反射系数（Reflection
Coefficient）的值，利用反射系数，我们可以计算得到驻波比（SWR）。同样的，也可以计算出电抗（X）、电阻（R）、阻抗（Z）、回波损耗
（Return loss）等参数。
“矢网”可以用来干什么？
如果你只是测量一个直流回路中的电阻、电压、电流、你只需要一只电阻表和电压电流表。
如果你只是想看看电路中某些节点的电压（或者电流）随着时间变化的情况，你需要的是一个示波器。
如果你想看看在很宽的频谱范围内，一个基频信号及其各次谐波的幅度，你需要的是一个频谱分析仪。
如果你想测量驻波比/回波损耗、复杂网络的阻抗频率关系、相位角、群延迟、频率响应等参数，你需要的就是VNA——矢量网络分析仪。
N2PK VNA的原理
这个矢量网络分析仪的名字叫N2PK VNA，顾名思义，他的原始设计者，是一位呼号N2PK的国外HAM。通常，一个标准的“矢网”至少由以下几个部分组成：
1．一个电压控制或者软件控制的可以产生固定相位差信号源。
2．定向耦合器或者耦合桥，用来分离传导和反射的信号。
3．一个或多个检测器，用来测量信号的幅度和相位。
4．控制部分以及检测数据的收集和处理。
5．被测元器件（DUT），可以是单端口或者多端口的网络。
6．软件校准的算法以及校准件。
图1是N2PK VNA的结构图，它包括了“矢网”所必须的每一个组成部分。
图
中，RF
DDS产生相位为0°的参考信号。这个信号加载到被测器件的输入端，通过被测器件后再供给检测器，检测器得到这个信号的幅度值|VRF|和相位值ФRF。
但通常在做测量之前，需要做“直通”和“检测器开路”的两个测量动作。“直通”就是把RF
DDS和检测器之间通过一个尽可能短的射频电缆直接连起来。假设这段很短的电缆的增益为0dB，相位的影响也是0°。然后再做“检测器开路”的测量，测出
系统的本底噪声值（同样包含频率和相位）。这样，我们可以通过在一个频率点上测量到的这三个矢量数据（幅度和相位），计算出被测器件的所有传导特性，例如
增益和相位。群延迟这样的特性例外，它需要两个或者更多的频率点的数据才能计算出来。类似的。所有的阻抗特性也可以被测量出来。只需要在原先的基础上增加
一个耦合桥。注意，被测器件的幅度值|VRF|和相位值ФRF会和三个校准件有关系。分别是开路终端，短路终端，还有一个50Ω终端（因为这个系统是
50Ω的，所以需要用50Ω终端，其他的矢网，也可能用75Ω或者其他阻抗的）。
|VRF|通常很简单的就可以测量出来。但是对于θRF的测量，
却有几种不同的方法。大多数的商品矢网是通过差频的方法，把参考信号（LO
DDS）和检测信号同时搬移到一个固定的中频频率上，然后再做精确的幅度和相位的检测。这样的架构需要多次的混频，通常都很复杂，成本也很高。近来，一些
DIY的VNA项目，使用内建对数幅度检测器和高速的相位比较器的AD8302（ADI）来检测信号幅度和相位。虽然降低了成本，但是，同商品级的矢网相
比，其检测精度大大降低了。
N2PK
VNA用的是一种0中频架构，这个架构要比通常的外差结构简单得多，同时，又比使用简单的对数检测器的一些项目的精度，要高不少。因为是0中频，所有的幅
度和相位信号都会被检测器处理为直流信号，我们需要的只是对这些直流信号做精确测量就可以了。实际的制作中，使用的是24bit的ADC来实现精确的测
量，使用DDS来实现精确的相位控制。N2PK
VNA的特别之处，是它获得相位数据方法。不同于其他的矢网，在测量的时候，对于每一个频率点，VNA会做两次直流数据的精确测量。先让LO
DDS产生一个相对于RF DDS相位为0°信号，做一次测量；再让LO DDS产生一个相对于RF
DDS相位为90°信号，再做一次测量。通过两次测量和测量之前的校准数据，我们就可以得到需要的幅度和相位数据了。
可以看到，完成上面的这些任
务所需要的硬件设备并不需要很复杂。最关键的0°和90°正交信号源的产生部分，采用两片同步的直接频率合成芯片AD9851来实现。DDS的信号源，直
接使用高频率泛音钟振，避免使用低频率时钟加DDS内部倍频的方法。一方面可以降低DDS的输出杂散，另一方面也能降低DDS的功耗。0中频的变换部分，
使用MC1496组成的乘法器实现。乘法器输出的0中频信号，通过低通滤波器之后，由LTC2440组成的24bit
模数转换IC来处理。LTC2440的2.5V基准电压，用LTC1460来提供。整个系统中，需要给DDS发送相关的频率和相位数据，需要得到
LTC2440转换好的电压数据。这些数据先通过74ACT1284的总线接口做一级缓冲，再通过电脑的并口传给系统中的相关控制软件来处理。另外还有一
部分，就是整个硬件系统的电源供给。为了满足宽电源输入，系统第一级使用DC/DC来产生相关的+7V和-7V电压，这些电压，再通过线性稳压器处理得
到+5V和-5V的电压，分别提供给DDS，总线接口，检测器等模块。
N2PK VNA的制作
笔者是在去年底开始制作
N2PK VNA的，关键的元器件在国内找到之后，便开始尝试修改线路图和PCB
layout。由于目前大多数的电脑，都已经取消了并行口，笔者把G8KBB开发的USB控制器加入进来，这样，可以直接使用USB口来控制。电源部分也
做了相关的修改，去掉原先的charge-pump构成的-5V电路，主电源供电，统一为12V至24V的宽电源输入。整体的PCB，参考一款成品的机壳
的尺寸。这样，在安装外壳之后，更像一个成品的仪器。
具体的硬件电路图可以参考http://www.n2pk.com/VNA/VNAarch.html中的文档“Fast Detector PDF (Ver. 1b, 442 KB)”，或者请给《现代通信》杂志社发E-mail索取（HAM@radio.com.cn）。硬件电路几乎没有需要调试的部分，这得益于现代的IC和元器件制造技术以及开发者的优秀设计。优质的元器件加上良好的焊接，基本可以保证一次性成功。
实
际制作的时候，还是有些地方需要提醒。这个VNA基本是模块化的设计，各个部分的功能明确，在PCB的Layout也刻意把每个模块分开来，可以分别进行
屏蔽处理。制作的时候，请遵循一定的步骤。这个VNA大量使用了贴片元器件，贴片的电阻电容，贴片的集成电路等等，个别地方使用了插件的元器件。焊接时，
尽量先焊贴片元器件，先焊高度比较矮的电阻电容和IC等器件。在这个基础上，再按照模块顺序来分别焊接。首先是电源部分，这个部分，先检查输出的+7V和-7V的电源电压
是否正常。然后是提供给DDS的5V电压，还有就是给检测器的+5V和-5V电压是否正常。如果电压不对，需要检查电感是否有虚焊，二极管是否接反，钽电
容是否接反等。接着是USB控制部分，USB的控制部分的Cy7C68013A引脚很密，可以采用拖焊的方法，多余的焊锡，可以用刀头的烙铁或者铜编织网
处理掉。USB控制部分直接使用电脑的5V电源供电，所以检查这一部分的时候，并不需要给VNA的电源模块加电。插上USB口，电脑就应该会发现新硬件。
然后，按照相关说明文档中的步骤安装控制器的驱动程序，擦写E2ROM的程序。都做完后，就可以打开MyVNA软件配合一块万用表去测试每一个I/O的控
制电压输出是否正常。至此，电源模块和USB控制模块两部分都结束。接下来是DDS部分。注意，对于DDS部分和检测器部分，各有一片74ACT1284
来负责相关的信号传输，所以这一部分不要遗漏。DDS部分的电路很简单，元器件很少，唯一要注意的就是焊接滤波器的时候，注意滤波电感器的排列。各个电感
请保持90°的夹角，这样可以减少它们之间的电磁耦合。焊接完成，先用频率计检查DDS部分的主时钟（Mo）的输出频率是否正常，并且记录下频率值。给电
源上电，接上USB口，打开软件。将测量的频率值，写到软件中，以完成VNA的频率校准。然后可以进入到信号发生器的模式，看两片DDS的输出信号是否正
常。没问题的话。继续最后一部分，检测器。检测器的焊接，没有太多要注意的部分。主要是检查2.5V的基准电压是否正常。检查检测器无信号输入的时候，各
点的静态电压是否和电路图上面的数值一致。这些全部完成，可以说，整个VNA就结束了。外壳部分嘛，属于机械的活儿，可以自由发挥。
笔者推荐使用G8KBB开发的MyVNA软件，下载地址：http://g8kbb.roberts-family-home.co.uk/html/downloads.html。
因为G8KBB是软件的开发者，同时也是N2PK
VNA的USB控制器的开发者，所以这个软件可以完美的支持USB控制器，大大方便了没有并口的使用者。另外，笔者也联系上了G8KBB，正在作
MyVNA软件的中文化工作。相信不久会有软件的中文版本出来。这样，许多英文不好的朋友，使用起来就更加方便了。软件的操作步骤很多，很复杂，整体使用
起来就是和一个成品的仪器差不多。最好是按照软件使用说明，一项一项地去摸清楚，这样使用起来也就游刃有余了。
