有著“射頻萬(wàn)用表”之稱的頻譜分析儀是一種應(yīng)用非常廣泛的射頻和微波基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器。經(jīng)常被用于放大器/發(fā)射機(jī)的諧波和雜散測(cè)量、無(wú)源器件的互調(diào)測(cè)量等，而在空中電磁環(huán)境測(cè)量中，頻譜分析儀更是擔(dān)當(dāng)了重要的角色。
頻譜分析儀自身具有非線性特性，當(dāng)輸入端存在大信號(hào)時(shí)，頻譜分析儀自身會(huì)產(chǎn)生諧波和互調(diào)，這些信號(hào)是測(cè)試者所不需要的，在很多場(chǎng)合，它們并不僅僅是測(cè)試誤差的問(wèn)題，而將直接導(dǎo)致最終測(cè)試結(jié)果的可信度。
在本文中，通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述現(xiàn)象的存在，并例舉了一些在實(shí)際測(cè)試中可能遇到的問(wèn)題及相應(yīng)的解決方案。
實(shí)驗(yàn)原理
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)如圖1所示。首先我們假設(shè)F2是測(cè)試者所關(guān)心的被測(cè)信號(hào)，比如說(shuō)是一個(gè)放大器的諧波或者空中的某個(gè)頻譜信號(hào)，這個(gè)信號(hào)通過(guò)開關(guān)SW1的J2端和SW2的J2端直通后，被直接送入頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)試，在這種情況下，頻譜分析儀可以準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)信號(hào)的各種屬性。
現(xiàn)在我們模擬另外一種情況，即在測(cè)試環(huán)境存在一個(gè)干擾信號(hào)F1。為了分析問(wèn)題方便期間，將F1設(shè)置為其二次倍頻靠近F2附近，也可以使2×F1=F2。將開關(guān)SW1切換至J1，SW2切換至J1，在這個(gè)通路上，被測(cè)信號(hào)通過(guò)定向耦合器的直通端仍然被直接送至頻譜分析儀，而干擾信號(hào)F1從定向耦合器的耦合端也被同時(shí)加到頻譜分析儀，這樣在頻譜分析儀的輸入端同時(shí)存在F2和F1二個(gè)信號(hào)，在實(shí)際測(cè)試中，此類情況很常見(jiàn)。
注意在F1信號(hào)源的輸出端，接有一個(gè)F1的帶通濾波器，這是為了確保信號(hào)源的二次諧波2×F1不會(huì)進(jìn)入頻譜分析儀，以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。因?yàn)檫@個(gè)2×F1和頻譜分析儀自身所產(chǎn)生的2×F1不是一回事。
我們所希望看到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，當(dāng)頻譜分析儀輸入端同時(shí)存在測(cè)試者所關(guān)心的F2信號(hào)和干擾信號(hào)F1時(shí)，由于頻譜分析儀存在非線性特性，最終在頻譜分析儀上會(huì)出現(xiàn)二個(gè)信號(hào)：
1） 被測(cè)信號(hào)F2；
2） 由于F1進(jìn)入頻譜分析儀后，由頻譜分析儀所產(chǎn)生的二次諧波2×F1。
當(dāng)F2和2×F1接近時(shí)，會(huì)給測(cè)試者產(chǎn)生錯(cuò)覺(jué)，不知道哪個(gè)是被測(cè)信號(hào)，哪個(gè)是頻譜分析儀所產(chǎn)生的諧波；而當(dāng)F2=2×F1時(shí)，二個(gè)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生矢量疊加而導(dǎo)致測(cè)試誤差。
實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果
我們按照?qǐng)D1的實(shí)驗(yàn)原理連接測(cè)試系統(tǒng)。其中開關(guān)采用了BXT超長(zhǎng)壽命的SW18L-2SPDT-N型微波校準(zhǔn)開關(guān)（圖2），這種可工作到18GHz的開關(guān)具有很好的可重復(fù)性和通道平衡度，過(guò)億次的開關(guān)壽命可勝任海量數(shù)據(jù)的測(cè)試工作。開關(guān)可以本地手動(dòng)控制，也可以通過(guò)軟件自動(dòng)控制，可以組成單刀雙擲（SPDT）、雙刀雙擲（DPDT）和單刀三擲（SP3T）等三種電路形式。
F1濾波器采用了BXT的BPF925960型腔體帶通濾波器，這種濾波器具有高達(dá)100dB的二次諧波抑制功能，保證進(jìn)入頻譜分析儀的F1的純凈度。定向耦合器的耦合度為30dB。
圖2a) 外形圖
圖2b). 軟件界面
圖2. SW18L-2SPDT-N型壽命過(guò)億次的校準(zhǔn)開關(guān)
將F2設(shè)為1870.05MHz，幅度為-70dBm；將F1設(shè)為935MHz，幅度為+13dBm，經(jīng)過(guò)定向耦合器后進(jìn)入頻譜分析儀的幅度為-17dBm。
當(dāng)開關(guān)位于SW1的J2端和SW2的J2端，F(xiàn)2通過(guò)射頻電纜直接進(jìn)入頻譜分析儀，可以觀察到一個(gè)純凈的F2信號(hào)（圖3），其頻率為1870.0476MHz，幅度為-76.07dBm。
將開關(guān)切換至SW1的J1和SW2的J1，此時(shí)頻譜分析儀出現(xiàn)了二個(gè)信號(hào)（圖4b），顯然，M1所標(biāo)識(shí)的仍然是被測(cè)信號(hào)（1870.048MHz，-76.66dBm），而位于M1左側(cè)的那個(gè)M2（1869.9981MHz，-89.05dBm）剛好是F1（圖4a，934.9988MHz，-22.62dBm）的二次倍頻。
這種現(xiàn)象驗(yàn)證了我們最初的設(shè)想，即頻譜分析儀由于自身存在非線性特性，會(huì)產(chǎn)生諧波，圖4b中的M2就是我們常說(shuō)的“假信號(hào)”。
在實(shí)際測(cè)試中，當(dāng)頻譜分析儀顯示出圖4b這樣的頻譜圖時(shí)，測(cè)試者往往并不知道其中一個(gè)是所關(guān)心的信號(hào)，而另外一個(gè)是假信號(hào)！即使是由軟件控制的自動(dòng)化測(cè)試，要辨別出哪個(gè)是假信號(hào)，恐怕也要預(yù)先設(shè)定好各種可能的條件，在實(shí)際測(cè)試中這么做并不現(xiàn)實(shí)。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證，我們進(jìn)行了下一步實(shí)驗(yàn)——在頻譜分析儀輸入端加一個(gè)帶通濾波器后再觀察頻譜圖。
圖4b頻譜分析儀的非線性特性
參照?qǐng)D5，與圖1相比的不同之處僅僅是在頻譜分析儀的輸入端加了一個(gè)帶通濾波器，其通帶包括了F2和2×F1，而F1位于濾波器的阻帶。
重復(fù)圖4b的實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)M2（2×F1）消失了（圖6）！這說(shuō)明當(dāng)F1被濾除后，進(jìn)入頻譜分析儀的只有被測(cè)信號(hào)（F2，1870.048MHz，-77.89dBm），頻譜分析儀由于F1所產(chǎn)生的假信號(hào)不存在了。
這個(gè)結(jié)果不但驗(yàn)證了我們最初的設(shè)想，同時(shí)也提出了消除假信號(hào)的解決方案——濾波器。
圖6用濾波器消除頻譜分析儀的假信號(hào)響應(yīng)
頻譜分析儀非線性特性研究的實(shí)用意義
本文中所描述的實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)工程性的實(shí)驗(yàn)，過(guò)程中并沒(méi)有討論頻譜分析儀是如何產(chǎn)生假信號(hào)的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)只是告訴讀者頻譜分析儀存在非線性特性，這具有實(shí)用性的意義，以下是幾個(gè)應(yīng)用案例：
放大器的諧波測(cè)量
在放大器的諧波測(cè)量中，應(yīng)將放大器的載頻濾除后，只將被測(cè)的諧波信號(hào)送入頻譜分析儀（圖7）。
電磁環(huán)境測(cè)量
圖8所示的電磁環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)沿用了圖5中所描述的方法。在這里，開關(guān)和濾波器被加以巧妙的利用，通過(guò)二個(gè)通道的比較，可以準(zhǔn)確判別測(cè)到的信號(hào)是來(lái)自空中還是頻譜分析儀自身的諧波。
這種方法還可以用于無(wú)人值守的無(wú)線電固定監(jiān)測(cè)站，通過(guò)計(jì)算機(jī)可以遠(yuǎn)程控制開關(guān)的動(dòng)作，并觀察頻譜分析儀或接收機(jī)的信號(hào)變化。
這期的頻譜儀測(cè)試技巧就跟大家分享到這里，下期我們繼續(xù)哦！大家對(duì)BXT濾波器感興趣的話也歡迎直接聯(lián)系我們！
作者簡(jiǎn)介：朱輝，資深從業(yè)人士，福州博訊通總經(jīng)理，著有《實(shí)用射頻測(cè)試和測(cè)量》一書。
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