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频谱仪的工作原理

  频谱分析仪是频谱测量中必不可少的测量仪器之一,它能对信号的谐波分量、寄生、交调、噪声边带等进行很直观的测量和分析,因此,广泛应用于频谱通信网络、雷达、电子对抗、空间技术、卫星地面站、EMC测试等领域。为了能动态地观察被测信号的频谱,现代频谱仪大多采用扫频超外差式接收方案,利用扫频第一本振的方法,被测信号经混频后得到固定的中频信号,经不同带宽滤波器后,就能观察到频差较小的两个信号。在宽带外差式频谱仪设计中,为消除镜像和多重响应等干扰,常采用两种方案:第一种是采用预选器;第二种是采用上变频。由于预选器频率受下限限制,宽带频谱仪总是被划分成高、低两个波段。低波段采用高中频的方案,它只要一个固定的低通滤波器而不是可调的低通或带通就可以对镜像进行抑制。高波段采用预选器对输入信号进行预选,有效地抑制镜像。频谱信号经输入衰减器后被分成两路,分别输入到高、低两个波段。

在低波段,频率为9kHz~2.95GHz的信号被切换到第一变频器中的基波混频器部分(MXR1),得到第一中频F1IF(3.9214MHz),F1IF经过第二变频器得到第二中频F2IF(321.4MHz)。高波段,频率为2.75GHz~22GHz的信号被切换到预选器(YTF),预选后的信号输入到第一变频器中的谐波混频器部分(MXR2),得到第二中频F2IF。F2IF经第三变频器变换得到第三中频F3IF(21.4MHz)。在该中频上,对信号进行处理,使信号经不同带宽滤波器的选择,再经过线性及对数放大、检波、数字量化和显示。调谐方程如下:

输入衰减器是0~70dB;以10dB步进的程控衰减器,主要用途是扩大频谱仪的幅度测量范围,使幅度测量上限扩展到+30dBm。它不但用于保护第一变频器过载,并且用于优化混频器电平以实现最大的测量动态范围。该衰减器的默认状态设置是10dB,用于改善频谱仪和被测源之间的匹配。

第一本振采用YIG调谐振荡器(YTO),它具有主线圈和副线圈两个控制端口,改变流过线圈中的电流的大小就可以改变输出频率。扫频是利用一个斜波信号加在YTO驱动电路上来实现的。它提供的频率范围为3~6.8GHz,用于驱动第一变频器;扫描斜波发生器产生-10V~+10V的扫描电压,变换成斜波电流后,用于驱动YTO的扫频。通常利用跟踪锁频技术或频率合成技术,将本振锁定在参考源上,以提高本振的调谐准确度和稳定度。

变频器的作用就是将频谱信号变换成低频,对于频率范围为9kHz~22GHz的宽带频谱仪,它的第一变频器中包含有两个混频器,一个是用于低波段的基波混频器,另一个是用于高波段的谐波混频器。变频器中还包括6dB衰减器、单刀双掷开关及匹配网络等。它们分别在石英和陶瓷衬底上,是采用微带技术与集总元件相结合来实现的。因此,第一变频器是宽带频谱仪中最关键的频谱部件之一。

第二变频器主要完成第一中频到第二中频的变换。本振频率是3.6GHz,它由600MHz倍频获得。第三变频器将第二中频变换到第三中频,其本振为300MHz。步进增益放大器对第三中频信号进行放大,主要用于参考电平和衰减器变化时整机增益的调整。带宽滤波器可以提供3MHz~30Hz以1、3、5为步进的多种不同的分辨率带宽。

调谐滤波器(YTF),用于预选信号,该器件是宽带频谱器件,具有30kHz的滤波带宽,设计上总是被第一本振所调谐,并有一个固定的频差(F2IF)。

对数放大器是将信号作对数处理,扩大测量显示动态范围。交流信号由检波器转化为视频信号,再进行数字量化。经过各种运算得到的测量结果输出在显示器上。

当频谱仪经过振动、运输、长时间放置或大的环境温度变化时,频谱仪频率调谐会发生变化,带来频率测量误差,严重时会出现测量信号左右晃动的现象,通过频率校准可以排除该现象。校准的过程主要是以300MHz信号为参考信号,对频谱仪的扫描时间、中心频率、跨度(扫宽)、YIG主线圈延迟、副线圈灵敏度、扫频灵敏度进行误差校准,使频谱仪频率调谐范围正常。

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