超外差頻譜分析儀的原理及組成

1、第3章超外差式頻譜分析儀的原理3.1 超外差式頻譜分析儀的原理及組成3.1.1 超外差頻譜分析儀的原理結(jié)構(gòu)圖圖3-1所示，為超外差頻譜分析儀的簡單原理結(jié)構(gòu)圖。本地振蕩器包絡(luò)檢波器視頻濾波器顯示器中頻濾波器中頻放大器混頻器信號(hào)輸入輸入衰減器低通濾波器或預(yù)選器掃描產(chǎn)生器圖3-1 超外差頻譜分析儀的簡單原理結(jié)構(gòu)圖由圖3-1可知：超外差頻譜分析儀一般由射頻輸入衰減器、低通濾波器或預(yù)選器、混頻器、中頻增益放大器、中頻濾波器、本地振蕩器、掃描產(chǎn)生器、檢波器、視頻濾波器和顯示器組成。超外差頻譜分析儀的工作原理是：射頻輸入信號(hào)通過輸入衰減器，經(jīng)過低通濾波器或預(yù)選器到達(dá)混頻器，輸入信號(hào)同來自本地振蕩器的本振信號(hào)

2、混頻，由于混頻器是一個(gè)非線性器件，因此其輸出信號(hào)不僅包含源信號(hào)頻率（輸入信號(hào)和本振信號(hào)），而且還包含輸入信號(hào)和本振信號(hào)的和頻與差頻，如果混頻器的輸出信號(hào)在中頻濾波器的帶寬內(nèi)，則頻譜分析儀進(jìn)一步處理此信號(hào)，即通過包絡(luò)檢波器、視頻濾波器，最后在頻譜分析儀顯示器CRT的垂直軸顯示信號(hào)幅度，在水平軸顯示信號(hào)的頻率，從而達(dá)到測量信號(hào)的目的。3.1.2 RF輸入衰減器超外差頻譜分析儀的第一部分就是RF輸入衰減器。可變輸入衰減器的作用是保證混頻器有一個(gè)合適的信號(hào)輸入電平，以防止混頻器過載、增益壓縮和失真。由于衰減器是頻譜分析儀的輸入保護(hù)電路，因此基于參考電平，它的設(shè)置通常是自動(dòng)的，但是也可以用手動(dòng)的方式設(shè)置

3、頻譜分析儀的輸入衰減大小，其設(shè)置步長是10dB、5dB、2dB，甚至是1dB，不同頻譜分析儀其設(shè)置步長是不一樣的。如Agilent 8560系列頻譜分析儀的輸入衰減的設(shè)置步長是10dB。圖3-2是一個(gè)最大衰減為70dB，步長為2dB的輸入衰減器電路的例子。電路中的電容器是用來避免頻譜分析儀被直流信號(hào)燒毀，但可惜的是它不僅衰減了低頻信號(hào)，而且使某些頻譜分析儀最小可使用頻率增加到100Hz，而其他頻譜分析儀增加到9kHz。RF輸入幅度參考信號(hào)0到70dB衰減，步長2dB電容器圖3-2 RF輸入衰減器電路圖3-3所示，當(dāng)頻譜分析儀RF輸入信號(hào)和本振信號(hào)加到混頻器的輸入時(shí)，可以調(diào)整RF輸入衰減器，使混

4、頻器的輸入信號(hào)電平合適或最佳，這樣就可以提高測量精度。信號(hào)輸入輸入衰減器混頻器本地振蕩器合適的電平低通濾波器圖3-3 混頻器的最佳輸入電平不同的頻譜分析儀，其混頻器的最佳輸入電平是不同的。表3-1所示，為Agilent 8560系列頻譜分析儀的二次諧波失真與混頻器的最佳輸入電平。表3-1 8560系列頻譜分析儀的二次諧波失真與混頻器的最佳輸入電平頻率范圍混頻器合適電平二次諧波失真?zhèn)渥?0MHz1.45GHz-40dBm<-79dBc1MHz1.45GHz-40dBm<-72dBc1.45GHz3.25GHz-20dBm<-72dBc1.45GHz2GHz-10dBm<-

5、85dBc8563EC/64EC/65EC2GHz6.6GHz-10dBm<-100dBc2GHz13.25GHz-10dBm<-100dBc8563EC2GHz20GHz-10dBm<-90dBc8564EC/65EC20GHz25GHz-10dBm<-90dBc8563EC超外差頻譜分析儀的輸入電路十分靈敏，無法承受操作失誤帶來的后果，因此頻譜分析儀的射頻輸入信號(hào)電平不能大于頻譜分析儀的最大輸入電平，我們把最大輸入信號(hào)電平稱為頻譜分析儀的安全輸入電平。如果輸入的射頻信號(hào)電平大于最大輸入信號(hào)電平，就會(huì)燒毀頻譜分析儀的輸入電路，稱此電平為毀壞電平，如圖3-4所示。因此使

6、用頻譜分析儀之前，一定認(rèn)真仔細(xì)閱讀說明書，以保證頻譜分析儀的射頻輸入信號(hào)電平小于或等于最大安全輸入電平。信號(hào)輸入輸入衰減器混頻器本地振蕩器毀壞電平低通濾波器 圖3-4 混頻器的毀壞輸入電平例如Agilent 8560系列頻譜分析儀的最大安全輸入電平要求如下：· 平均連續(xù)波功率：+30dBm（1W，射頻輸入衰減大于或等于10dB）；· 峰值脈沖功率（脈寬<10ms，占空比<1%）：+50dBm（100W，射頻輸入衰減大于或等于30dB）；· 直流電壓：< ±0.2V（直流耦合）；< ±50V（交流耦合，只適用于8560EC

7、和8562EC）。3.1.3 低通濾波器或預(yù)選器由圖3-1可知，頻譜分析儀的前端設(shè)計(jì)采用超外差方案，通過前端預(yù)選、諧波混頻等技術(shù)，使頻譜分析儀的頻率范圍達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)要求。利用低通濾波器，在低頻可以有效抑制鏡頻響應(yīng)，阻止高頻信號(hào)達(dá)到混頻器；另外低通濾波器還阻止同本振混頻產(chǎn)生的帶外信號(hào)，以避免在中頻產(chǎn)生不需要的響應(yīng)。在微波頻段，頻譜分析儀采用預(yù)選器代替低通濾波器，預(yù)選器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)調(diào)諧濾波器，調(diào)諧濾波器和本振在系統(tǒng)控制下同步調(diào)諧預(yù)選信號(hào)，對帶外和鏡像響應(yīng)進(jìn)行有效地的抑制。通俗地說：預(yù)選器除讓我們觀察測量的信號(hào)之外，其它所有頻率均被預(yù)選器有效抑制。3.1.4 混頻器混頻器把射頻輸入信號(hào)的頻率混頻成

8、頻譜分析儀能夠?yàn)V波、放大和檢波的頻率范圍。混頻器除了接收RF輸入信號(hào)之外，還接收頻譜分析儀內(nèi)部產(chǎn)生的本振信號(hào)。混頻器是一個(gè)非線性器件，這意味著混頻器的輸出不僅包括輸入信號(hào)頻率和本振信號(hào)頻率，還包含輸入信號(hào)頻率和本振信號(hào)的和頻與差頻。在理想情況下，混頻器起乘法器的作用。假定混頻器的輸入信號(hào)為： （3-1）本振信號(hào)為： (3-2)則混頻器的輸出信號(hào)為： （3-3）將式(3-3)通過適當(dāng)變換可得： （3-4）式中： fsig ¾ 輸入信號(hào)頻率； fLO ¾ 本振信號(hào)頻率；由式（3-4）可知，混頻器的輸出是本振信號(hào)和輸入信號(hào)的和頻與差頻。圖3-5所示，為混頻器的輸出信號(hào)頻譜圖。fs

9、ig輸入信號(hào)混頻器的輸出信號(hào)fsigfLO -fsigfLOfLO+fsigfLO本振信號(hào)圖3-5 混頻器的輸出信號(hào)頻譜由圖3-5可知，在混頻器的輸出信號(hào)中，除輸入信號(hào)和本振信號(hào)外，還有本振信號(hào)和輸入信號(hào)的和頻與差頻，而超外差頻譜分析儀工作最重要的是利用本振信號(hào)與輸入信號(hào)的差頻或和頻，這就是超外差處理信號(hào)的關(guān)鍵。3.1.5 本地振蕩器頻譜分析儀的本地振蕩器，簡稱為本振。圖3-6所示，超外差頻譜分析儀的本地振蕩器的組成框圖。至混頻器至顯示器圖3-6 本地振蕩器本地振蕩器是一個(gè)電壓控制的振蕩器，它的頻率由掃描產(chǎn)生器控制。掃描產(chǎn)生器除控制本振頻率外，還控制頻譜分析儀顯示器的水平軸的偏移，其斜波形狀使

10、頻譜分析儀在顯示器上從左到右顯示信號(hào)信息，且重復(fù)運(yùn)動(dòng)更新掃描跡線。我們可以控制跡線掃描速度。例如改變頻譜分析儀的掃描時(shí)間，就可以改變跡線的掃描速度。3.1.6 中頻增益放大器中頻增益放大器可以調(diào)整中頻濾波器的輸入電平，中頻放大器的增益同輸入衰減器的衰減是自動(dòng)耦合的，也就是說，當(dāng)輸入衰減器衰減10dB時(shí)，中頻增益放大器就會(huì)自動(dòng)把輸入信號(hào)放大10dB，這樣頻譜分析儀測量的射頻輸入信號(hào)就保持不變。3.1.7 中頻濾波器中頻濾波器是一個(gè)固定的帶通濾波器，以便輸入信號(hào)能在頻譜分析儀顯示器上顯示，混頻器的輸出頻率必須在中頻濾波器的頻段內(nèi)。例如本振信號(hào)頻率與輸入信號(hào)的差頻等于中頻濾波器的頻率，這個(gè)信號(hào)可以通

11、過中頻濾波器，而最終在頻譜分析儀顯示器上顯示，并可以進(jìn)行測量。若本振信號(hào)頻率與輸入信號(hào)的差頻不等于中頻，則輸出信號(hào)無法通過中頻濾波器，頻譜分析儀也就無法測量此信號(hào)的大小。當(dāng)本振在比較高的頻率掃描時(shí)，差頻也移到較高頻率，一旦差頻等于中頻，頻譜分析儀就可以顯示，并測量它。圖3-7所示，超外差頻譜分析儀測量信號(hào)的原理框圖。中頻放大器中頻濾波器信號(hào)輸入輸入衰減器混頻器本地振蕩器(0300MHz)(200MHz500MHz)(中心頻率200MHz)低通濾波器或預(yù)選器圖3-7 超外差頻譜分析儀測量信號(hào)的原理簡圖3.1.8 包絡(luò)檢波器一般地，頻譜分析儀利用包絡(luò)檢波器把中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)。檢波器實(shí)質(zhì)是一個(gè)

12、整流器，其目的是處理輸入信號(hào)，以便顯示并測量輸入信號(hào)。最簡單的包絡(luò)檢波器由一個(gè)二極管、電阻負(fù)載和低通濾波器組成，如圖3-8所示。中頻信號(hào)t圖3-8 簡單的包絡(luò)檢波器在大多數(shù)測量中，選擇比較窄的分辨帶寬，足以分辨出輸入信號(hào)頻譜。如果我們固定本振頻率，以便頻譜分析儀調(diào)諧至特定信號(hào)成分，則中頻輸出是峰值穩(wěn)定的正弦波，包絡(luò)檢波器的輸出就是常數(shù)直流電壓值。但是，有時(shí)頻譜分析儀的分辨帶寬選擇的比較寬，足夠可以包括兩個(gè)或更多的頻率成分。假定有兩個(gè)頻率成分在傳輸頻段內(nèi)，兩個(gè)正弦波相互影響，產(chǎn)生圖3-9所示的包絡(luò)檢波輸出。圖3-9 中頻信號(hào)峰值的包絡(luò)檢波輸出3.1.9 視頻濾波器頻譜分析儀測量的是輸入信號(hào)加內(nèi)部

13、噪聲，為了減小噪聲對測量信號(hào)電平的影響，經(jīng)常對測量信號(hào)進(jìn)行平滑或平均，以提高測量信號(hào)精度。超外差頻譜分析儀都有一個(gè)可變的視頻濾波器，實(shí)現(xiàn)對測量信號(hào)的平滑或平均。視頻濾波器的帶寬稱為視頻帶寬，用VBW表示。視頻濾波器實(shí)質(zhì)是一個(gè)低通濾波器，在中頻信號(hào)通過檢波器檢波后，視頻濾波器決定驅(qū)動(dòng)顯示器垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的視頻電路帶寬。視頻濾波器的功能是平滑信號(hào)顯示，抑制頻譜分析儀的隨機(jī)噪聲。通過減小視頻濾波器的帶寬，可使小信號(hào)更易測量。圖3-10所示，為視頻帶寬等于100kHz時(shí)的小信號(hào)測量；圖3-11為視頻帶寬等于10kHz時(shí)測量信號(hào)。顯然，減小視頻帶寬，抑制了噪聲，提高了小信號(hào)的測量精度。圖3-10 VBW=

14、100kHz時(shí)的小信號(hào)測量 圖3-11 VBW=10kHz時(shí)的小信號(hào)測量3.1.10 顯示器頻譜分析儀的顯示器是用來顯示測量輸入信號(hào)頻譜，用來測量輸入信號(hào)的幅度和頻率。頻譜分析儀的輸出在顯示器上是以X-Y方式顯示，顯示器的水平方向有10個(gè)格，垂直方向一般有10個(gè)格或8個(gè)格。顯示水平軸表示頻率，從左至右線性增加，垂直軸用來表示信號(hào)幅度。所有頻譜分析儀的幅度顯示有線性刻度和對數(shù)刻度兩種。頻譜分析儀的線性刻度用電壓V表示（也有頻譜分析儀的線性刻度單位用功率表示），對數(shù)刻度用dB為單位。對數(shù)刻度比線性刻度更常用，這是因?yàn)閷?shù)刻度的可用范圍大的原故。頻譜分析儀不管采用何種刻度，都把顯示器屏幕最上面的刻度線作為參考電平，這個(gè)參考電平是通過校準(zhǔn)技術(shù)確定的一個(gè)絕對數(shù)值，顯示器屏幕上其它任意位置的電平數(shù)值都可以通過這個(gè)參考電平和每格的刻度計(jì)算出來。這樣就可以測量任何信號(hào)的絕對幅度值或任意兩個(gè)信號(hào)的幅度電平之差了。圖3-12所示，為Agilent 8563EC頻譜分析儀測量的校準(zhǔn)輸出信號(hào)。從圖中可以看出，頻譜分析儀的輸出在顯示器上顯示一個(gè)X-Y跡線，有一個(gè)水平軸和一個(gè)垂直軸，水平軸分成10個(gè)格，垂直軸也分成10個(gè)網(wǎng)格。水平軸從左到右線性地表示頻率