LibreVNA相位反转问题的分析与解决

LibreVNA相位反转问题的分析与解决

LibreVNA 100kHz to 6GHz 2 port USB based VNA 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/li/LibreVNA

问题背景

在LibreVNA矢量网络分析仪的使用过程中，用户发现约0.4%的测量数据点会出现相位反转现象。这一问题主要出现在高频段（3.5GHz以上），表现为测量数据点的相位与预期值相差180度。经过深入分析，发现这与设备的本地振荡器(LO)信号生成机制有关。

问题现象

当测量一个已知特性的DUT（如SMA三通加25欧姆分流电阻）时，正常情况下测量结果应保持稳定。但实际测量中，部分数据点会出现以下异常：

1. 某些S参数（如S11、S22）的实部和虚部同时出现符号反转
2. 反转现象通常出现在3.5GHz以上频段
3. 反转点有时单独出现，有时会连续出现在多个相邻频率点
4. 反转现象的出现频率约为0.4%

技术分析

LibreVNA采用三级下变频架构：

1. 第一级下变频：使用MAX2871 PLL生成的1.LO信号（比激励信号高62MHz）
2. 第二级下变频：使用Si5351C生成的2.LO信号（固定61.75MHz）
3. 数字下变频：在FPGA中通过数字混频将250kHz中频信号转换为基带I/Q信号

问题的根源在于Si5351C芯片的2.LO信号生成机制。当需要调整2.LO频率以补偿PLL频率偏差时，Si5351C的多合成器分频器会被重新配置，随后执行PLL复位以同步各输出相位。然而，这一过程有时会导致某些输出通道出现180度的相位反转。

解决方案

开发团队经过深入研究和实验，提出了以下解决方案：

1. 重新分配Si5351C的PLL资源，将2.LO相关输出专门分配给PLL B
2. 保持2.LO输出的分频比为整数，避免分数分频导致的相位不确定性
3. 调整其他时钟信号到PLL A，确保系统其他部分不受影响
4. 优化FPGA固件，提高数据处理的可靠性

验证结果

经过修改后的固件测试表明：

1. 180度相位反转现象完全消失
2. 异常数据点数量从14000多个减少到仅5个
3. 剩余异常点表现为幅度异常而非相位反转
4. 系统稳定性得到显著提升

技术启示

这一问题的解决过程为射频测量系统设计提供了宝贵经验：

1. 多通道LO信号的相位一致性至关重要
2. 整数分频比能提供更好的相位稳定性
3. 复杂的频率合成系统需要全面的验证测试
4. 长期稳定性测试对发现偶发问题非常必要

LibreVNA团队通过这一问题的解决，不仅提升了设备的测量可靠性，也为开源测试仪器的发展积累了重要经验。这一改进已集成到最新固件中，为用户提供了更精确、更稳定的测量体验。

LibreVNA 100kHz to 6GHz 2 port USB based VNA 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/li/LibreVNA