超外差频谱分析仪的原理及组成

本地振荡器包络检波器视频滤波器显示器中频滤波器中频放大器混频器信号输入输入衰减器低通滤波器或预选器扫描产生器3.1超外差式频谱分析仪的原理及组成3.1.1超外差频谱分析仪的原理结构图图3-1所示，为超外差频谱分析仪的简单原理结构图。图3-1超外差频谱分析仪的简单原理结构图由图3-1可知：超外差频谱分析仪一般由射频输入衰减器、低通滤波器或预选器、混频器、中频增益放大器、中频滤波器、本地振荡器、扫描产生器、检波器、视频滤波器和显示器组成。超外差频谱分析仪的工作原理是：射频输入信号通过输入衰减器，经过低通滤波器或预选器到达混频器，输入信号同来自本地振荡器的本振信号混频，由于混频器是一个非线性器件，因此其输出信号不仅包含源信号频率（输入信号和本振信号），而且还包含输入信号和本第3章超外差式频谱分析仪的原理振信号的和频与差频，如果混频器的输出信号在中频滤波器的带宽内，则频谱分析仪进一步处理此信号，即通过包络检波器、视频滤波器，最后在频谱分析仪显示器CRT的垂直轴显示信号幅度，在水平轴显示信号的频率，从而达到测量信号的目的。3.1.2RF输入衰减器超外差频谱分析仪的第一部分就是RF输入衰减器。可变输入衰减器的作用是保证混频器有一个合适的信号输入电平，以防止混频器过载、增益压缩和失真。由于衰减器是频谱分析仪的输入保护电路，因此基于参考电平，它的设置通常是自动的，但是也可以用手动的方式设置频谱分析仪的输入衰减大小，其设置步长是10dB、5dB、2dB，甚至是1dB，不同频谱分析仪其设置步长是不一样的。如Agilent8560系列频谱分析仪的输入衰减的设置步长是10dB。图3-2是一个最大衰减为70dB，步长为2dB的输入衰减器电路的例子。电路中的电容器是用来避免频谱分析仪被直流信号烧毁，但可惜的是它不仅衰减了低频信号，而且使某些频谱分析仪最小可使用频率增加到100Hz，而其他频谱分析仪增加到9kHz。图3-2RF输入衰减器电路图3-3所示，当频谱分析仪RF输入信号和本振信号加到混频器的输入时，可以调整RF输入衰减器，使混频器的输入信号电平合适或最佳，这样就可以提高测量精度。RF输入幅度参考信号0到70dB衰减，步长2dB电容器图3-3混频器的最佳输入电平不同的频谱分析仪，其混频器的最佳输入电平是不同的。表3-1所示，为Agilent8560系列频谱分析仪的二次谐波失真与混频器的最佳输入电平。表3-18560系列频谱分析仪的二次谐波失真与混频器的最佳输入电平频率范围混频器合适电平二次谐波失真备注20MHz1.45GHz-40dBm-79dBc1MHz1.45GHz-40dBm-72dBc1.45GHz3.25GHz-20dBm-72dBc1.45GHz2GHz-10dBm-85dBc8563EC/64EC/65EC2GHz6.6GHz-10dBm-100dBc2GHz13.25GHz-10dBm-100dBc8563EC2GHz20GHz-10dBm-90dBc8564EC/65EC20GHz25GHz-10dBm-90dBc8563EC超外差频谱分析仪的输入电路十分灵敏，无法承受操作失误带来的后果，因此频谱分析仪的射频输入信号电平不能大于频谱分析仪的最大输入电平，我们把最大输入信号电平称为频谱分析仪的安全输入电平。如果输入的射频信号电平大于最大输入信号电平，就会烧毁频谱分析仪的输入电路，称此电平为毁坏电平，如图3-4所示。因此使用频谱分析仪之前，一定认真仔细阅读说明书，以保证频谱分析仪的射频输入信号电平小于或等于最大安全输入电平。信号输入输入衰减器混频器本地振荡器合适的电平低通滤波器图3-4混频器的毁坏输入电平例如Agilent8560系列频谱分析仪的最大安全输入电平要求如下：平均连续波功率：+30dBm（1W，射频输入衰减大于或等于10dB）；峰值脉冲功率（脉宽10s，占空比1%）：+50dBm（100W，射频输入衰减大于或等于30dB）；直流电压：0.2V（直流耦合）；50V（交流耦合，只适用于8560EC和8562EC）。3.1.3低通滤波器或预选器由图3-1可知，频谱分析仪的前端设计采用超外差方案，通过前端预选、谐波混频等技术，使频谱分析仪的频率范围达到预定设计要求。利用低通滤波器，在低频可以有效抑制镜频响应，阻止高频信号达到混频器；另外低通滤波器还阻止同本振混频产生的带外信号，以避免在中频产生不需要的响应。在微波频段，频谱分析仪采用预选器代替低通滤波器，预选器实质上就是一个调谐滤波器，调谐滤波器和本振在系统控制下同步调谐预选信号，对带外和镜像响应进行有效地的抑制。通俗地说：预选器除让我们观察测量的信号之外，其它所有频率均被预选器有效抑制。3.1.4混频器混频器把射频输入信号的频率混频成频谱分析仪能够滤波、放大和检波的频率范围。混频器除了接收RF输入信号之外，还接收频谱分析仪内部产生的本振信号。混频器是一个非线性器件，这意味着混频器的输出不仅包括输入信号频率和本振信号频率，还包含输入信号信号输入输入衰减器混频器本地振荡器毁坏电平低通滤波器频率和本振信号的和频与差频。在理想情况下，混频器起乘法器的作用。假定混频器的输入信号为：tfAtVsigsig2cos（3-1）本振信号为：tftVLOLO2cos(3-2)则混频器的输出信号为：tftfAtVLOsigIF2cos2cos（3-3）将式(3-3)通过适当变换可得：sigLOLOsigIFfftfftAtV2cos2cos2（3-4）式中：fsig输入信号频率；fLO本振信号频率；由式（3-4）可知，混频器的输出是本振信号和输入信号的和频与差频。图3-5所示，为混频器的输出信号频谱图。图3-5混频器的输出信号频谱由图3-5可知，在混频器的输出信号中，除输入信号和本振信号外，还有本振信号和输入信号的和频与差频，而超外差频谱分析仪工作最重要的是利用本振信号与输入信号的差频fsig输入信号混频器的输出信号fsigfLO-fsigfLOfLO+fsigfLO本振信号或和频，这就是超外差处理信号的关键。3.1.5本地振荡器频谱分析仪的本地振荡器，简称为本振。图3-6所示，超外差频谱分析仪的本地振荡器的组成框图。图3-6本地振荡器本地振荡器是一个电压控制的振荡器，它的频率由扫描产生器控制。扫描产生器除控制本振频率外，还控制频谱分析仪显示器的水平轴的偏移，其斜波形状使频谱分析仪在显示器上从左到右显示信号信息，且重复运动更新扫描迹线。我们可以控制迹线扫描速度。例如改变频谱分析仪的扫描时间，就可以改变迹线的扫描速度。3.1.6中频增益放大器中频增益放大器可以调整中频滤波器的输入电平，中频放大器的增益同输入衰减器的衰减是自动耦合的，也就是说，当输入衰减器衰减10dB时，中频增益放大器就会自动把输入信号放大10dB，这样频谱分析仪测量的射频输入信号就保持不变。3.1.7中频滤波器中频滤波器是一个固定的带通滤波器，以便输入信号能在频谱分析仪显示器上显示，混频器的输出频率必须在中频滤波器的频段内。例如本振信号频率与输入信号的差频等于中频滤波器的频率，这个信号可以通过中频滤波器，而最终在频谱分析仪显示器上显示，并可以进行测量。若本振信号频率与输入信号的差频不等于中频，则输出信号无法通过中频滤波器，频谱分析仪也就无法测量此信号的大小。当本振在比较高的频率扫描时，差频也移到较高频率，一旦差频等于中频，频谱分析仪就可以显示，并测量它。图3-7所示，超外差频谱分析至混频器至显示器仪测量信号的原理框图。图3-7超外差频谱分析仪测量信号的原理简图3.1.8包络检波器一般地，频谱分析仪利用包络检波器把中频信号转换成视频信号。检波器实质是一个整流器，其目的是处理输入信号，以便显示并测量输入信号。最简单的包络检波器由一个二极管、电阻负载和低通滤波器组成，如图3-8所示。图3-8简单的包络检波器在大多数测量中，选择比较窄的分辨带宽，足以分辨出输入信号频谱。如果我们固定本振频率，以便频谱分析仪调谐至特定信号成分，则中频输出是峰值稳定的正弦波，包络检波器的输出就是常数直流电压值。但是，有时频谱分析仪的分辨带宽选择的比较宽，足够可以包括两个或更多的频率成分。假定有两个频率成分在传输频段内，两个正弦波相互影响，产中频放大器中频滤波器信号输入输入衰减器混频器本地振荡器(0300MHz)(200MHz500MHz)(中心频率200MHz)低通滤波器或预选器中频信号t生图3-9所示的包络检波输出。图3-9中频信号峰值的包络检波输出3.1.9视频滤波器频谱分析仪测量的是输入信号加内部噪声，为了减小噪声对测量信号电平的影响，经常对测量信号进行平滑或平均，以提高测量信号精度。超外差频谱分析仪都有一个可变的视频滤波器，实现对测量信号的平滑或平均。视频滤波器的带宽称为视频带宽，用VBW表示。视频滤波器实质是一个低通滤波器，在中频信号通过检波器检波后，视频滤波器决定驱动显示器垂直偏转系统的视频电路带宽。视频滤波器的功能是平滑信号显示，抑制频谱分析仪的随机噪声。通过减小视频滤波器的带宽，可使小信号更易测量。图3-10所示，为视频带宽等于100kHz时的小信号测量；图3-11为视频带宽等于10kHz时测量信号。显然，减小视频带宽，抑制了噪声，提高了小信号的测量精度。图3-10VBW=100kHz时的小信号测量图3-11VBW=10kHz时的小信号测量3.1.10显示器频谱分析仪的显示器是用来显示测量输入信号频谱，用来测量输入信号的幅度和频率。频谱分析仪的输出在显示器上是以X-Y方式显示，显示器的水平方向有10个格，垂直方向一般有10个格或8个格。显示水平轴表示频率，从左至右线性增加，垂直轴用来表示信号幅度。所有频谱分析仪的幅度显示有线性刻度和对数刻度两种。频谱分析仪的线性刻度用电压V表示（也有频谱分析仪的线性刻度单位用功率表示），对数刻度用dB为单位。对数刻度比线性刻度更常用，这是因为对数刻度的可用范围大的原故。频谱分析仪不管采用何种刻度，都把显示器屏幕最上面的刻度线作为参考电平，这个参考电平是通过校准技术确定的一个绝对数值，显示器屏幕上其它任意位置的电平数值都可以通过这个参考电平和每格的刻度计算出来。这样就可以测量任何信号的绝对幅度值或任意两个信号的幅度电平之差了。图3-12所示，为Agilent8563EC频谱分析仪测量的校准输出信号。从图中可以看出，频谱分析仪的输出在显示器上显示一个X-Y迹线，有一个水平轴和一个垂直轴，水平轴分成10个格，垂直轴也分成10个网格。水平轴从左到右线性地表示频率增加，设置频谱分析仪的频率有两种方法：方法一是利用频谱分析仪的中心频率键设置中心频率，水平轴的频率范围用扫频宽度键（SPAN）进行设置，这两个控制键是相互独立的，如果改变频谱分析仪的中心频率，不影响频谱分析仪的扫频宽度；设置频谱分析仪频率的另外一种方法是通过设置频谱分析仪的起始频率和停止频率代替中心频率和扫频宽度的设置。用频谱分析仪我们可以测量任何信号绝对频率，也可以测量任意两个信号的相对频率差。频谱分析仪的垂直轴表示幅度。可选择以电压为单位的线性刻度或以dB为单位对数刻度（一般频谱分析仪开机时，其默认刻度是对数刻度）。对数刻度比线性刻度更常用，由于对数刻度有更宽的测量范围。如对数刻度允许信号从70dB到100dB（电压比为3200到100000，而功率比为10000000到10000000000）同时显示，而线性刻度适合测量20dB到30dB的范围（电压比为10到32）。另外可以设置频谱分析仪的参考电平和每格的dB数，这样不仅可以测量任何信号的幅度值，而且可以测量任意两个信号的幅度相对值。图3-12Agilent8563EC频谱分析仪的校准输出信号