基于射频开关选择的VNA校准设计

活动发起人@小虚竹 想对你说：

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 一、实验目的

1、设计并实现一个基于射频开关选择的电子校准件，通过ESP32控制射频开关切换不同的校准状态实现校准，以提高矢量网络分析仪的使用寿命。

2、对校准件进行设计并测试。

二、实验仪器

1、射频开关

2、矢量网络分析仪

3、电子校准件

三、实验原理

1.电子校准件系统框图：

本次电子校准件设计使用的微处理控制器是ESP32，其是由乐鑫（Espressif Systems）公司推出的一款低成本、低功耗的WiFi和蓝牙双模系统芯片，适用于各种物联网（IoT）应用和嵌入式系统。ESP32的WiFi具有两种模式，一种是Station模式：ESP32可以作为WiFi客户端连接到现有的无线网络中，实现设备和互联网的连接。另一种是SoftAP模式：ESP32可以作为软AP（接入点）创建自己的WiFi网络，其他设备可以连接到它，实现设备之间的局域网通信。在此电子校准件中为了让VNA和ESP32处于同一个局域网中，我们让ESP32的WiFi开启Station模式。当用户按下按键时，ESP32会向VNA发送校准申请指令，当VNA响应时，校准正式开始，此过程根据VNA响应信息(端口连接不同的校准件类型)，ESP32会控制校准件切换电路满足响应的需求。当校准完毕后，提示灯会亮起。系统框图如下图所示：

图 3-1 电子校准件系统框图

2.VAN系统

下图是VNA的原理框图，主要包括以下部分:

（1）激励信号源：提供感兴趣的频率范围内的入射信号；

（2）信号分离装置：含功分器和定向耦合器，分离出入射，反射和传输信号；

（3）接收机：对被测件的入射，反射和传输信号进行测试；

（4）处理显示单元：对测试结果进行处理和显示。

正确的校准是使用 VNA 的一个难点。VNA测量出来的S参数是否有错误并不能通过VNA直接能检查出来，只有导入仿真软件仿真出结果发现有问题时可能会怀疑是S参数测量有问题,再返回来检查VNA校准VNA测量时的操作有没有错误。

图 3-2 VAN系统框图

3.硬件设计：

（1）HMC7992 非反射式硅单刀四掷 (SP4T) 开关非常适合用于蜂窝基础设施应用。 HMC7992 开关具有 45dB 的高隔离和 2GHz 时的 0.6dB 低插入损耗。 HMC7992 具有高达 6GHz 的出色功率处理能力，5V 时 35dBm 的输入功率为 1dB 压缩点 (P1dB)。这些开关显示出低于 0.1GHz 的良好低频输入功率处理能力。 HMC7992 开关在 21dBm 典型 1dB 压缩时运行可低至 10kHz，在 1MHz 时 37dBm 为 IIP3。 HMC7992 的片上电路使该开关能够使用 3.3-5V 正极控制单电源以及 0-1.8/3.3/5V 正极控制单电压运行。HMC7992 的集成式 2:4 解码器只需要两个受控输入信号，正极控制电压范围为 0-1.8/3.3/5V。2:4 解码器可以让设计人员从四个射频 (RF) 路径中选择一个。HMC7992功能图如下图所示：

图 3-3 HMC7992功能图

1. HMC8038是一款高隔离度、非反射式、0.1 GHz至6.0 GH、单刀双掷(SPDT)开关芯片，采用无引脚、表贴封装。 该开关非常适合蜂窝基础设施应用，可实现高达4.0 GHz的62 dB隔离、高达4.0 GHz的0.8 dB低插入损耗和60 dBm输入三阶交调截点。 拥有高达6.0 GHz的出色功率处理能力，并提供针对35 dBm的0.1 dB压缩点(P0.1dB)的输入功率(VDD = 5 V)。片上电路可操作单一正电源电压从 3.3 V 到 5 V，并且可以在非常低的直流电流下操作单一正电压控制从 0 V 到 1.8 V/3.3 V/5.0 V。当使能输入 (EN) 设置为高电平时，开关处于全关状态，此时 RFC 为反射状态。HMC8038 在所有器件引脚（包括 RF 接口）上具有 ESD 保护，可承受 4 kV HMB 和 1.25 kV CDM。HMC8038 提供非常快速的开关和 RF 稳定时间，分别为 150 ns 和 170 ns。该器件采用符合 RoHS 标准的紧凑型 4 mm × 4 mm LFCSP 封装。HMC8038应用电路如下图所示： 

图 3-4 HMC8038应用电路图

电子校准件的校准框图如下图所示：

图 3-5 电子校准件校准框图

1. 一端口先经过一个单刀四掷开关（SP4T1）可直接选择开路和短路，负载匹配选择为单刀双掷开关（SPDT1）的RF2端口，二端口经过一个单刀四掷开关（SP4T2）可直接选择开路和短路，二端口的负载匹配选择为单刀双掷开关（SPDT2）的RF1端口。由图可以看出单刀双掷开关（SPDT1）一直选择为RF1联通，单刀双掷开关（SPDT2）一直选择为RF2联通，这样就构成了校准件的端口1和端口2处于直通状态。“开路”元件是末端开路的微带线，“短路”元件由微带线末端焊 100pF 电容形成。

4.软件设计：

电子校准件软件端使用FreeRTOS微型操作系统，FreeRTOS允许开发者创建多个任务，每个任务可以独立运行，使用ESP32的多核处理器能力，或者利用单核心的多任务调度机制。FreeRTOS的调度器负责决定哪个任务在何时运行，基于任务的优先级和调度策略进行动态调度，确保高优先级任务能够及时执行。通过FreeRTOS的信号量、队列和互斥锁等机制，实现对共享资源的安全访问和同步，避免竞态条件和数据损坏。通过FreeRTOS的睡眠和唤醒机制，可以有效管理ESP32的功耗，延长电池寿命，在需要时降低功耗。此电子校准件软件部分，创建了3个任务。每个任务的优先级一致。每个任务会根据时间片进行轮转。当任务检测满足条件时会触发后续的操作。

• 实验步骤

1. 开发板设计：

将射频开关(HMC7992LP3DE)与ESP32开发板连接,通过两个一切四的射频开关对两个端口不同校准状态的切换,将矢量网络分析仪的两个端口分别接入射频开关的输入端,末端开路的微带线形成“开路”元件,由微带线末端焊0.1uF电容形成“短路”元件,另外一个开关的断开路为“负载”(射频开关断开时内部为负载接地),确保矢量网络分析仪与电子校准件正确连接，并进行初步的硬件检查。在计算机上安装Arduino IDE,编写代码，控制电子校准件射频开关的切换,通过串口监视器或其他方式，检查ESP32控制射频开关的情况。调整代码和硬件连接，确保系统正常工作。使用VNA进行校准，记录不同校准状态下的测量数据最后分析测量数据，验证校准件的有效性。

1.1 硬件准备：

（1）将射频开关与Arduino开发板连接，具体引脚根据所选射频开关型号确定；

（2）将不同的校准件连接到射频开关的不同端口；

（3）确保VNA与射频开关正确连接，并进行初步的硬件检查。

1.2 软件编写：

（1）在计算机上安装Arduino IDE；

（2）编写Arduino代码，控制射频开关的切换；

（3）将编写的代码上传到Arduino开发板；

1.3 系统调试

（1）通过串口监视器或其他方式，检查Arduino控制射频开关的情况。

（2）调整代码和硬件连接，确保系统正常工作。

1.4 VNA校准

（1）使用VNA进行校准，记录不同校准状态下的测量数据；

（2）分析测量数据，验证校准件的有效性。

2.电路图与PCB的设计：

使用嘉立创，完成电路图和PCB的搭建与绘制，电路图与PCB绘制如下图所示：

图 4-1 电子校准件原理图

图 4-2电子校准件PCB图

四、实验结果分析

电子校准件依据SOLT校准算法，因此设计了开路、短路、负载、直通四种端口切换模式。使用电子校准件首先需要将VNA的1、2端口连接电子校准件的1、2端口。连接完毕后，在电子校准件上点击开始校准按键。此时校准开始，当校准完毕后，可以观察到矢量网络分析仪S21应为一条0dB的直线在整个频段中。

图 5-1 校准结果图