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安泰段珍珍
Lv3 太平洋舰队中士
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楼主
2018-05-04 14:06 0 0 只看楼主
电梯直达 



有着“射频万用表”之称的频谱分析仪是一种应用非常广泛的射频和微波基础测量仪器。经常被用于放大器/发射机的谐波和杂散测量、无源器件的互调测量等,而在空中电磁环境测量中,频谱分析仪更是担当了重要的角色。
  频谱分析仪自身具有非线性特性,当输入端存在大信号时,频谱分析仪自身会产生谐波和互调,这些信号是测试者所不需要的,在很多场合,它们并不仅仅是测试误差的问题,而将直接导致最终测试结果的可信度。
  在本文中,通过一个实验验证了上述现象的存在,并例举了一些在实际测试中可能遇到的问题及相应的解决方案。


  实验原理
  实验验证系统如图1所示。首先我们假设F2是测试者所关心的被测信号,比如说是一个放大器的谐波或者空中的某个频谱信号,这个信号通过开关SW1J2端和SW2J2端直通后,被直接送入频谱分析仪进行测试,在这种情况下,频谱分析仪可以准确测量被测信号的各种属性。
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  图1.频谱分析仪的非线性特性研究(一)
  现在我们模拟另外一种情况,即在测试环境存在一个干扰信号F1。为了分析问题方便期间,将F1设置为其二次倍频靠近F2附近,也可以使2×F1=F2。将开关SW1切换至J1SW2切换至J1,在这个通路上,被测信号通过定向耦合器的直通端仍然被直接送至频谱分析仪,而干扰信号F1从定向耦合器的耦合端也被同时加到频谱分析仪,这样在频谱分析仪的输入端同时存在F2F1二个信号,在实际测试中,此类情况很常见。
  注意在F1信号源的输出端,接有一个F1的带通滤波器,这是为了确保信号源的二次谐波2×F1不会进入频谱分析仪,以保证测试结果的准确性。因为这个2×F1和频谱分析仪自身所产生的2×F1不是一回事。
  我们所希望看到的实验结果是,当频谱分析仪输入端同时存在测试者所关心的F2信号和干扰信号F1时,由于频谱分析仪存在非线性特性,最终在频谱分析仪上会出现二个信号:
  1)被测信号F2
  2)由于F1进入频谱分析仪后,由频谱分析仪所产生的二次谐波2×F1
  当F22×F1接近时,会给测试者产生错觉,不知道哪个是被测信号,哪个是频谱分析仪所产生的谐波;而当F2=2×F1时,二个信号会产生矢量叠加而导致测试误差。


  实验方法和结果
  我们按照图1的实验原理连接测试系统。其中开关采用了BXT超长寿命的SW18L-2SPDT-N型微波校准开关(图2),这种可工作到18GHz的开关具有很好的可重复性和通道平衡度,过亿次的开关寿命可胜任海量数据的测试工作。开关可以本地手动控制,也可以通过软件自动控制,可以组成单刀双掷(SPDT)、双刀双掷(DPDT)和单刀三掷(SP3T)等三种电路形式。
  F1滤波器采用了BXTBPF925960型腔体带通滤波器,这种滤波器具有高达100dB的二次谐波抑制功能,保证进入频谱分析仪的F1的纯净度。定向耦合器的耦合度为30dB
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  图2a)外形图
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  图2b).软件界面
  图2.SW18L-2SPDT-N型寿命过亿次的校准开关
  将F2设为1870.05MHz,幅度为-70dBm;将F1设为935MHz,幅度为+13dBm,经过定向耦合器后进入频谱分析仪的幅度为-17dBm
  当开关位于SW1J2端和SW2J2端,F2通过射频电缆直接进入频谱分析仪,可以观察到一个纯净的F2信号(图3),其频率为1870.0476MHz,幅度为-76.07dBm
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  图3.频谱分析仪只有F2信号输入时的频谱图
  将开关切换至SW1J1SW2J1,此时频谱分析仪出现了二个信号(图4b),显然,M1所标识的仍然是被测信号(1870.048MHz-76.66dBm),而位于M1左侧的那个M21869.9981MHz-89.05dBm)刚好是F1(图4a934.9988MHz-22.62dBm)的二次倍频。
  这种现象验证了我们最初的设想,即频谱分析仪由于自身存在非线性特性,会产生谐波,图4b中的M2就是我们常说的“假信号”。
  在实际测试中,当频谱分析仪显示出图4b这样的频谱图时,测试者往往并不知道其中一个是所关心的信号,而另外一个是假信号!即使是由软件控制的自动化测试,要辨别出哪个是假信号,恐怕也要预先设定好各种可能的条件,在实际测试中这么做并不现实。
  为了进一步验证,我们进行了下一步实验——在频谱分析仪输入端加一个带通滤波器后再观察频谱图。
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  图4a)存在于频谱分析仪输入端的干扰信号
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  图4b)存在干扰时频谱分析仪出现了假信号响应
  图4b频谱分析仪的非线性特性


  进一步的实验和解决方案
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  图5.频谱分析仪的非线性特性研究(二)
  参照图5,与图1相比的不同之处仅仅是在频谱分析仪的输入端加了一个带通滤波器,其通带包括了F22×F1,而F1位于滤波器的阻带。
  重复图4b的实验,我们发现M22×F1)消失了(图6)!这说明当F1被滤除后,进入频谱分析仪的只有被测信号(F21870.048MHz-77.89dBm),频谱分析仪由于F1所产生的假信号不存在了。
  这个结果不但验证了我们最初的设想,同时也提出了消除假信号的解决方案——滤波器。
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  图6用滤波器消除频谱分析仪的假信号响应


  频谱分析仪非线性特性研究的实用意义
  本文中所描述的实验是一项工程性的实验,过程中并没有讨论频谱分析仪是如何产生假信号的。这个实验只是告诉读者频谱分析仪存在非线性特性,这具有实用性的意义,以下是几个应用案例:

  放大器的谐波测量
  在放大器的谐波测量中,应将放大器的载频滤除后,只将被测的谐波信号送入频谱分析仪(图7)。
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  图7放大器的谐波测量
  电磁环境测量
  图8所示的电磁环境测量系统沿用了图5中所描述的方法。在这里,开关和滤波器被加以巧妙的利用,通过二个通道的比较,可以准确判别测到的信号是来自空中还是频谱分析仪自身的谐波。
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  图8电磁环境测量
  这种方法还可以用于无人值守的无线电固定监测站,通过计算机可以远程控制开关的动作,并观察频谱分析仪或接收机的信号变化。

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