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構圖圖3-1所示，為超外差頻譜分析儀的簡單原理結構圖。本地振蕩器包絡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輸入輸入衰減器低通濾波器或預選器掃描產生器圖3-1 超外差頻譜分析儀的簡單原理結構圖由圖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：射頻輸入信號通過輸入衰減器，經過低通濾波器或預選器到達混頻器，輸入信號同來自本地振蕩器的本振信號

2、混頻，由于混頻器是一個非線性器件，因此其輸出信號不僅包含源信號頻率（輸入信號和本振信號），而且還包含輸入信號和本振信號的和頻與差頻，如果混頻器的輸出信號在中頻濾波器的帶寬內，則頻譜分析儀進一步處理此信號，即通過包絡檢波器、視頻濾波器，最后在頻譜分析儀顯示器CRT的垂直軸顯示信號幅度，在水平軸顯示信號的頻率，從而達到測量信號的目的。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合適的信號輸入電平，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電路，因此基于參考電平，它的設置通常是自動的，但是也可以用手動的方式設置

3、頻譜分析儀的輸入衰減大小，其設置步長是10dB、5dB、2dB，甚至是1dB，不同頻譜分析儀其設置步長是不一樣的。如Agilent 8560系列頻譜分析儀的輸入衰減的設置步長是10dB。圖3-2是一個最大衰減為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燒毀，但可惜的是它不僅衰減了低頻信號，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，當頻譜分析儀RF輸入信號和本振信號加到混頻器的輸入時，可以調整RF輸入衰減器，使混

4、頻器的輸入信號電平合適或最佳，這樣就可以提高測量精度。信號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備注20MHz1.45GHz-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電平大于最大輸入信號電平，就會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，一定認真仔細閱讀說明書，以保證頻譜分析儀的射頻輸入信號電平小于或等于最大安全輸入電平。信號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 低通濾波器或預選器由圖3-1可知，頻譜分析儀的前端設計采用超外差方案，通過前端預選、諧波混頻等技術，使頻譜分析儀的頻率范圍達到預定設計要求。利用低通濾波器，在低頻可以有效抑制鏡頻響應，阻止高頻信號達到混頻器；另外低通濾波器還阻止同本振混頻產生的帶外信號，以避免在中頻產生不需要的響應。在微波頻段，頻譜分析儀采用預選器代替低通濾波器，預選器實質上就是一個調諧濾波器，調諧濾波器和本振在系統控制下同步調諧預選信號，對帶外和鏡像響應進行有效地的抑制。通俗地說：預選器除讓我們觀察測量的信號之外，其它所有頻率均被預選器有效抑制。3.1.4 混頻器混頻器把射頻輸入信號的頻率混頻成

8、頻譜分析儀能夠濾波、放大和檢波的頻率范圍。混頻器除了接收RF輸入信號之外，還接收頻譜分析儀內部產生的本振信號。混頻器是一個非線性器件，這意味著混頻器的輸出不僅包括輸入信號頻率和本振信號頻率，還包含輸入信號頻率和本振信號的和頻與差頻。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為： （3-1）本振信號為： (3-2)則混頻器的輸出信號為： （3-3）將式(3-3)通過適當變換可得： （3-4）式中： fsig ¾ 輸入信號頻率； fLO ¾ 本振信號頻率；由式（3-4）可知，混頻器的輸出是本振信號和輸入信號的和頻與差頻。圖3-5所示，為混頻器的輸出信號頻譜圖。fs

9、ig輸入信號混頻器的輸出信號fsigfLO -fsigfLOfLO+fsigfLO本振信號圖3-5 混頻器的輸出信號頻譜由圖3-5可知，在混頻器的輸出信號中，除輸入信號和本振信號外，還有本振信號和輸入信號的和頻與差頻，而超外差頻譜分析儀工作最重要的是利用本振信號與輸入信號的差頻或和頻，這就是超外差處理信號的關鍵。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電壓控制的振蕩器，它的頻率由掃描產生器控制。掃描產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信息，且重復運動更新掃描跡線。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耦合的，也就是說，當輸入衰減器衰減10dB時，中頻增益放大器就會自動把輸入信號放大10dB，這樣頻譜分析儀測量的射頻輸入信號就保持不變。3.1.7 中頻濾波器中頻濾波器是一個固定的帶通濾波器，以便輸入信號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。例如本振信號頻率與輸入信號的差頻等于中頻濾波器的頻率，這個信號可以通

11、過中頻濾波器，而最終在頻譜分析儀顯示器上顯示，并可以進行測量。若本振信號頻率與輸入信號的差頻不等于中頻，則輸出信號無法通過中頻濾波器，頻譜分析儀也就無法測量此信號的大小。當本振在比較高的頻率掃描時，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的原理框圖。中頻放大器中頻濾波器信號輸入輸入衰減器混頻器本地振蕩器(0300MHz)(200MHz500MHz)(中心頻率200MHz)低通濾波器或預選器圖3-7 超外差頻譜分析儀測量信號的原理簡圖3.1.8 包絡檢波器一般地，頻譜分析儀利用包絡檢波器把中頻信號轉換成視頻信號。檢波器實質是一個

12、整流器，其目的是處理輸入信號，以便顯示并測量輸入信號。最簡單的包絡檢波器由一個二極管、電阻負載和低通濾波器組成，如圖3-8所示。中頻信號t圖3-8 簡單的包絡檢波器在大多數測量中，選擇比較窄的分辨帶寬，足以分辨出輸入信號頻譜。如果我們固定本振頻率，以便頻譜分析儀調諧至特定信號成分，則中頻輸出是峰值穩定的正弦波，包絡檢波器的輸出就是常數直流電壓值。但是，有時頻譜分析儀的分辨帶寬選擇的比較寬，足夠可以包括兩個或更多的頻率成分。假定有兩個頻率成分在傳輸頻段內，兩個正弦波相互影響，產生圖3-9所示的包絡檢波輸出。圖3-9 中頻信號峰值的包絡檢波輸出3.1.9 視頻濾波器頻譜分析儀測量的是輸入信號加內部

13、噪聲，為了減小噪聲對測量信號電平的影響，經常對測量信號進行平滑或平均，以提高測量信號精度。超外差頻譜分析儀都有一個可變的視頻濾波器，實現對測量信號的平滑或平均。視頻濾波器的帶寬稱為視頻帶寬，用VBW表示。視頻濾波器實質是一個低通濾波器，在中頻信號通過檢波器檢波后，視頻濾波器決定驅動顯示器垂直偏轉系統的視頻電路帶寬。視頻濾波器的功能是平滑信號顯示，抑制頻譜分析儀的隨機噪聲。通過減小視頻濾波器的帶寬，可使小信號更易測量。圖3-10所示，為視頻帶寬等于100kHz時的小信號測量；圖3-11為視頻帶寬等于10kHz時測量信號。顯然，減小視頻帶寬，抑制了噪聲，提高了小信號的測量精度。圖3-10 VBW=

14、100kHz時的小信號測量 圖3-11 VBW=10kHz時的小信號測量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頻譜，用來測量輸入信號的幅度和頻率。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個格，垂直方向一般有10個格或8個格。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幅度。所有頻譜分析儀的幅度顯示有線性刻度和對數刻度兩種。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），對數刻度用dB為單位。對數刻度比線性刻度更常用，這是因為對數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

15、線作為參考電平，這個參考電平是通過校準技術確定的一個絕對數值，顯示器屏幕上其它任意位置的電平數值都可以通過這個參考電平和每格的刻度計算出來。這樣就可以測量任何信號的絕對幅度值或任意兩個信號的幅度電平之差了。圖3-12所示，為Agilent 8563EC頻譜分析儀測量的校準輸出信號。從圖中可以看出，頻譜分析儀的輸出在顯示器上顯示一個X-Y跡線，有一個水平軸和一個垂直軸，水平軸分成10個格，垂直軸也分成10個網格。水平軸從左到右線性地表示頻率增加，設置頻譜分析儀的頻率有兩種方法：方法一是利用頻譜分析儀的中心頻率鍵設置中心頻率，水平軸的頻率范圍用掃頻寬度鍵（SPAN）進行設置，這兩個控制鍵是相互獨立的，如果改變頻譜分析儀的中心頻率，不影響頻譜分析儀的掃頻寬度；設置頻譜分析儀頻率的另外一種方法是通過設置頻譜分析儀的起始頻率和停止頻率代替中心頻率和掃頻寬度的設置。用頻譜分析儀我們可以測量任何信號絕對頻率，也可以測量任意兩個信號的相對頻率差。頻譜分析儀的垂直軸表示幅度。可選擇以電壓為單位的線性刻度或以dB為單位對數刻度