超外差频谱分析报告仪的原理及组成

1、第3章超外差式频谱分析仪的原理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中频滤波器混频器输入衰减器信号输入中频放大器包络检波器本地振荡器扫描产生器低通滤波器 或预选器视频滤波器显示器图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

2、，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。3.1.2 RF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

3、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Agile nt 8560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3-2 RF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

4、量精度。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Agile nt 8560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 445GHz-40dBm-79dBc1MHz 445GHz-40dBm-72dBc1.45GHz3.25GHz-20dBm-72dBc1.45GHz2GHz-10dBm-85dBc8563EC/64EC/65EC2GHz6.6GHz-10dBm-100dBc2GHz“3.25GHz-10dBm-100d

5、Bc8563EC2GHz 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, 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。毁坏电平信号输入混频器0输入衰减器 低通滤波器Q

6、本地振荡器图3-4混频器的毁坏输入电平例如Agile nt 8560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c10Ms，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

7、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 频率和本

8、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：VsigtiAco 仝二 fsig（ 3-1）本振信号为：Vlo t 二 cos2：fLot（3-2）则混频器的输出信号为：Vif t = Acos 2- fsigt cos 2r: fLot（ 3-3）将式（3-3）通过适当变换可得：Vif t 1= A cos2 二 t fsig fLO 1 COs2：t fLO -fsigh（ 3-4）式中：fsig输入信号频率；fLO 本振信号频率；3-5所示，为由式（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 混频器的输出信号频谱图。混频器的fsig输

9、入彳信号、 输出信号fLO -fsigfLo+fsiglfsigfLO本振信号fLO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

10、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

11、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

12、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。

13、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。FATTENMKR -45.83dBmCENTER 丄2.100kHz UBW 100kHzSPAN 500.0k HzSNP 50.0ms图3-10 VBW=100kHz时

14、的小信号测量CENTER 12 26004P7GH2SPAN 500 0kH;106kHz *UBW 10kHzEWP E0 0ms图3-11 VBW=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

15、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Agile nt 8563EC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

16、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100000000