和大多数射频测量仪器一样,频谱仪的输入阻抗也是50ohm。
先看一下频谱仪射频前端的总框图。
不过,虽然有框图在手,但是想以框图为参照,到实际产品的话,还是有很多路要走。
因为,以本人多年的射频系统设计经验来看,可能一个射频指标,就会导致射频架构选择的改变。
所以,要是有人,随随便便给些简略指标,就说,你给我整个方案吧,我真的是想一个白眼翻过去。
不是不想整,这样真的是浪费时间,整了也白整。
频谱仪的输入端有一个步进衰减器,通过这衰减器,可以设置输入至1st 混频器的信号电平。该衰减器的步进通常是10dB,但有些频谱仪也使用了步进为5dB或1dB的衰减器。
通过1st混频器,将输入信号转换到第一中频。
1st LO为一个连续可调的振荡器,使得当输入信号频率为9KHz~3GHz时,1st IF为一个固定的值。
从上面的公式可以知道,会有两个频率同时和LO混频,落在相同的中频频点上。一个频率,我们称之为有用信号;另一个频率,称之为镜像信号。
所以,在混频器之前,需要一个镜像抑制滤波器,来滤除镜像频率,如下图所示。
那这个镜像滤波器,该如何实现呢?
这就需要看你所选取的中频了:
如果选择的中频比较低,则可能需要选择可调谐的带通滤波器。
如果选择的是高中频,则可以选用低通滤波器。
这边可以举个例子。
比如说,信号频率是1GHz~3GHz,忽略其他考虑,如果选择的中频为300MHz,那么1GHz对应的本振频率是1.3GHz,镜像频率是1.6GHz;而3GHz对应的本振频率是3.3GHz,镜像频率是3.6GHz。
因为如上面的计算,镜像频率1.6GHz,包含在1GHz~3GHz的频率里。如果想用一个固定的滤波器,又想保留频率信号为1.6GHz的有用信号,但是又想滤除频率为1.6GHz的镜频信号,显然是不可能实现的。
但是,如果把中频选择在4GHz,则1GHz对应的本振频率是5GHz,则镜像频率为9GHz;而3GHz对应的本振频率是7GHz,镜像频率为11GHz。则有用信号1GHz~3GHz对应的镜像频率为9GHz~11GHz。
这个时候,一个低通滤波器,就能实现镜像滤波。
9KHz~3GHz的射频前端设计
对于输入频率范围为9KHz~3GHz的频谱仪,输入衰减器2后面跟着一个低通滤波器3,用于抑制镜像频率。
在上面的框图中,第一中频是3476.4MHz, 所以,9KHz~3GHz对应的本振频率为3476.409MHz~6476.4MHz。
可以用PLL来实现频谱仪中的本振。除了满足要求的相噪和调谐范围外,其最小调谐步进也需要关注。
其调谐步进取决于RBW,小的RBW需要小的调谐步进,否则的话,要么测不到信号,要么测到的信号的电平不对。如下图所示。所以,为了避免这种错误的发生,调谐步进需要远小于RBW,比如设置为RBW/10.
PLL的参考信号,一般采用OCXO,即恒温晶振,频率通常为10MHz。
为了能与其他测量仪器保持同步,参考信号可在输出接口(28)处获得,同样的,频谱仪也可以从输入接口27处,获得其他仪器的参考信号。
接着,还需要将高中频转换到更低的中频。
这个中频的选择,也要考虑镜像频率。如果选择过低的话,则对高中频处的IF filter要求过高,而难以实现。
所以,在上面的框图中,选择的第二中频为404.4MHz。然后再经过滤波放大后,经过第三级混频,变换到20.4MHz的低中频。
3GHz~7GHz的射频前端
如上面框图所示,在衰减器之后,输入信号被双工器19分成两路,然后进入相应的射频前端。
当输入信号为3GHz~7GHz时,最后进入的是上面框图中蓝色部分的射频前端,可以看到,信号先经过一个可调谐的带通滤波器(20),然后通过混频器,将输入信号变频至404.4MHz的中频。
然后该中频,和9KHz~3GHz的射频前端,一起进入开关13,然后通过开关切换,共用后面的链路。
参考文献:
Christoph Rauscher, Fundamentals of Spectrum Analysis,4.1 RF input section