安泰频谱仪维修带你一起探究频谱仪的秘密

　

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SW1的J2端和SW2的J2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。

　　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J1，SW2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F2和F1二个信号，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F2和2×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BXT的BPF925960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。

　　图2a)外形图

　　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SW1的J2端和SW2的J2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。

　　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SW1的J1和SW2的J1，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M2（1869.9981MHz，-89.05dBm）刚好是F1（图4a，934.9988MHz，-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。

　　图4a)存在于频谱分析仪输入端的干扰信号

　　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

　　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F2和2×F1，而F1位于滤波器的阻带。

　　重复图4b的实验，我们发现M2（2×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（F2，1870.048MHz，-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。

　　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）。

　　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。

　　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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