最近买了一个nanoVNA玩玩，还没到货，但是发现没有比较简明的文章来梳理它的工作原理。所以整理编辑了一些相关的资料，分享给使用它的或者对它感兴趣的爱好者。对于仪器的更深入的理解有助于更好地使用仪器，获得更好的测试精度和使用体验。nanoVAN是一个有意思的仪器，它的设计思路是很精巧的，值得分享给大家。我目前也不是射频或数字信号方面的专家，所以有问题欢迎指出，太难的问题我也没法回答。

关于本文：着重于定性上理解它的工作原理，默认读者具有一定的射频基础，大致了解矢量网络分析的原理。未被提及的技术基础有：S参数，定向电桥，傅里叶变换，数字信号处理。

nanoVNA具有不同的硬件版本。我所购买的硬件应该是国内开发者hugen（XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX。

首先，简单地提一下VNA。图来自《微波器件测量手册》。里面有四个关键的装置：驱动用的信号源，定向耦合器，混频器和本地振荡信号。其中源用来激励网络，定向耦合器用来分离S11回波和注入激励，混频器用来进行下变频，本地振荡器则是下变频的信号源。

而nanoVNA用300元实现了最高到900MHz的网络分析，实现了这四个元件。 下变频后，需要对本振后的中频信号进行分析，从而就能实现对网络参数的解算。和很多现代VNA一样，得益于高性能的数字电路，中频信号被直接送入ADC采样并进行数字信号处理。图片来自安捷伦。

所以混频后和大部分的混合电路设计一样，进入到抗混叠然后被ADC直采。其中抗混叠低通滤波器同时又是中频信号的低通滤波器，来分离出差频信号。在全功能的VNA中，为了动态范围和精度的考虑，低通还可以换成窄带的带通滤波器，来精准分析某一个差频信号。而在nanoVNA这类的设计中，为了节约成本减少复杂度，窄带的带通滤波器可以直接以离散数字滤波器的方式来实现。在这点上和SDR是一致的。当然这些都是系统工程，VNA的设计复杂异常。

在有了以上的基础理解以后，就可以进入到nanoVNA的架构分析了。此图来自日本的原本开发者的Github开源文件。这个图的版本可能比较新了，和国内版的不同的地方是，他添加了VCTVXO，压控温度补偿晶振。估计是通过STM32的内置温度传感器和DAC来进行温度补偿，从而达到更好的温度稳定性。和刚刚提到的基础架构一样，里面有三个混频器，是最简单的那种。

Si5351的真身是一个时钟产生器，它负责发生方波的时钟信号。这就是nanoVNA廉价的秘密。通过方波的三次谐波（甚至五次谐波），只有200MHz的时钟能产生600MHz的谐波。通过对它的寄存器的一些操作，能直接使它工作到300MHz。所以这么多的倍频下，时钟的稳定性还是有一定的影响的。时钟信号通过电阻网络分离出以路参考信号，一路驱动信号，驱动一个电桥。而所有的信号再和它产生的一个中频信号混合进入到一个声卡芯片。当然进入前有一个一阶低通滤波器和一个交流耦合电容。

比较有意思的一点是当时我没想明白整个系统是如何启动的，毕竟STM32的CLK信号来自5351，查了手册才明白它能被编程上电默认配置来专门启动MCU这一类的设备，从而可以节约一个晶振。

原作者并没有在他的开源文件中提及信号部分的设计原理。然而这一部分其实才是整个VNA的精华所在。不过有一个不错的视频稍微深入讲述了这个原理。来自Hamradio 2018 FA-VA5 presentation-UK（XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX。

我从他的视频中截图了来说明它的工作原理。上方是一个方波的傅里叶展开，可以看见有大量的谐波成分。表格中为每个成分相互混频后的展开结果。而所有成分中能落入低通滤波器的只有中间这几个。由于是交流耦合的，所以不存在第一个直流信号。所以只有本振和激励的一阶三阶的差频能被ADC采样到。当然理论上5阶也行，不过考虑到信号幅度可能并不适合。然后只要进行数字处理，就能很轻松地提取出这个差频相对参考差频的相位和幅度。经过一系列的校准算法就能获得不错的数据了。谐波拓展原理也限制了它对一些有源器件的测试能力，基波可能导致放大器直接饱和或者非线性。如果能添加一个带通滤波器就能获得更加精准的测试结果。

以上就是一些对于nanoVNA原理性的简单分析了。