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頻譜分析系列:為什么需要預選器?

2020-03-22 來源:微波射頻網作者:海川 我要評論(0) 字號:

無論是采用模擬IF處理的傳統頻譜儀,還是采用數字IF處理的現代頻譜儀,都是掃頻式架構,通過第一級本振(LO)的調諧實現射頻的掃頻測試。熟悉頻譜儀架構的朋友都了解,在第一級混頻器之前都會存在一個預選器,如圖1所示,這個預選器是個什么器件?具體有什么功能呢?

傳統頻譜儀架構示意圖

圖1. 傳統頻譜儀架構示意圖

對于頻譜測試,射頻前端的預選器至關重要,這是實現準確頻譜測試的重要前提!預選器實際上就是一個濾波器,實際應用中,要么是低通濾波器,要么是可調諧帶通濾波器。在低頻頻譜測試時,頻譜儀通常采用低通濾波器作為預選器;而在高頻段,頻譜儀通常采用YIG (Yttrium Iron Garnet,釔鐵石榴石鐵氧體) 濾波器作為預選器。采用YIG技術的帶通濾波器,一方面可以覆蓋到更高頻率(高達50GHz),另一方面在調諧中心頻率時,濾波器的相對帶寬變化很小,從而保證了頻譜的準確測試。

為什么掃頻式頻譜儀需要預選器呢?

具體原因要從掃頻式頻譜儀的工作原理說起,頻譜儀整個模擬前端可能包含多級混頻器,通常為兩到三級混頻,但是只有第一級混頻器的LO是調諧的,而其它混頻器的LO都是固定的。每一級混頻器之后均包含一個中頻濾波器,這些濾波器的中心頻率是固定的,因此,通過第一級LO的不斷調諧,從而實現了信號的掃描測試,才可以觀測到一定頻率范圍內的頻譜。

為方便起見,無論信號頻率高低,下文統一將頻譜儀輸入的信號稱為RF信號,LO信號是指第一級混頻器的本振信號,IF信號是指第一級混頻器輸出的中頻信號。

簡單介紹一下混頻器:混頻器屬于一個變頻器件,具有RF、LO和IF三個端口,可以實現輸入頻率與LO頻率的和頻輸出,也可以實現對應的差頻輸出。在頻譜儀應用中,混頻器起到下變頻的作用,后一級中頻濾波器將選擇差頻輸出。

當LO頻率固定時,如果使混頻器輸出一定的IF信號,則在混頻器輸入側將存在兩個可能的頻率:fRF和fimage缅甸玉和国际。這兩個頻率與LO和IF之間的關系如圖2所示,互為鏡像。此處考慮的是高LO注入的情況,即LO頻率大于RF頻率,市面上的頻譜儀基本都采用高LO注入方式。圖1所示的頻譜儀架構中,預選器位于混頻器之前,實際上起到鏡頻抑制的作用。

混頻器的鏡頻工作特性

缅甸玉和国际圖2。 混頻器的鏡頻工作特性

預選器是如何抑制鏡頻的呢?

掃頻式頻譜儀在工作中,預選器對鏡頻的抑制是如何體現的?其實,在頻譜儀輸入側并不一定真的存在鏡頻信號,此處所說的預選器抑制的“鏡頻”是指在LO調諧時的“固有產物”。為了便于理解,下面通過圖解的方式進行詳細說明。

當存在RF信號時,LO在兩個調諧位置都會產生IF信號

缅甸玉和国际圖3。 當存在RF信號時,LO在兩個調諧位置都會產生IF信號

如圖3所示,假設頻譜儀輸入側存在RF信號,當LO調諧至fLO1時,與RF信號的差頻為IF,因頻譜儀采用高LO注入方式,因此經過計算,頻譜儀“認為”在頻率為(fLO1 – IF) 的位置存在一個信號,這就造成了圖中所示的虛假信號。

當LO繼續調諧至fLO2時,與RF信號的差頻也是IF,那么此時頻譜儀“認為”在頻率為(fLO2 – IF) 的位置也存在一個信號,而這個信號就是真實的RF信號。

虛假信號與真實信號互為鏡頻,二者頻率之差為2倍的IF頻率。假如頻譜儀的射頻前端沒有預選器,則測試類似于圖3這種信號時,頻譜上將出現兩根譜線,但只有一個是真實的。這樣會擾亂頻譜的測試,所以頻譜儀才會引入預選器。

YIG預選器為一窄帶帶通濾波器,位于Mixer之前,預選器的中心頻率與LO頻率同步掃描,二者之差為IF頻率,只有通過預選器的信號才會與LO混頻,因此可以避免產生LO調諧過程中虛假的鏡頻分量。

圖4在上述例子基礎之上引入了預選器,即使LO調諧至fLO1,也不會產生虛假信號,因為此時沒有信號通過預選器,而RF信號位于預選器帶外,已經被充分抑制!當LO進一步調諧至fLO2,RF信號剛好位于預選器的中心頻率處,此時LO與RF的差頻剛好為IF,于是經過計算,頻譜儀“認為”信號的頻率就是(fLO2 – IF),這就是真實的信號。

由此可見,預選器對于準確測試頻譜是非常有必要的!

在混頻之前引入預選器可以有效防止鏡頻效應

圖4. 在混頻之前引入預選器可以有效防止鏡頻效應

頻譜儀什么情況下會采用低通濾波器作為預選器呢?

假如將頻譜儀的掃頻范圍設置為100kHz到10GHz,高達十幾倍頻程,采用可調諧的帶通濾波器當作預選器是非常不現實的,即使可以設計出這種預選器,也無法解決相對帶寬隨中心頻率升高而變大的問題。

對于這種情況,可以一改傳統情況,采用高IF頻率方案,即IF信號頻率大于RF信號頻率,此時也要求采用更高的LO頻率。這種情況下,鏡頻將遠離信號,使用一個低通濾波器即可輕松抑制鏡頻。

圖5分別給出了LO的調諧范圍,以及RF信號和對應鏡頻信號的掃頻范圍,這三個范圍相同,就是頻率測試范圍Span。頻譜儀選取的IF信號頻率遠遠大于RF信號頻率,這使得鏡頻遠離RF信號。

假如沒有預選器,當LO調諧至fLO,start,若在fRF,start處沒有信號而在fImage,start處存在一個信號,則下變頻后也會落在IF頻率上,這將使得頻譜儀“誤判”在fRF,start處存在信號。

類似于YIG預選器,引入低通濾波器充當預選器后,只有通過預選器的信號才可以參與混頻,從而解決了鏡頻信號干擾測試的問題!

采用低通濾波器作為預選器以應對低頻信號頻譜的測試

圖5。 采用低通濾波器作為預選器以應對低頻信號頻譜的測試

現實情況是,高頻頻譜儀通常都會采用這兩種類型的預選器,各有各適用的情況,存在一個頻率分界點,低于該頻率將采用低通濾波器作為預選器,而高于該頻率則會采用YIG預選器。頻譜測試時,如果span橫跨了這個頻率分界點,則會自動進行預選器的切換選擇。

預選器對于寬帶信號分析有何影響?

基于頻譜儀的寬帶信號分析越來越多,5G NR、衛星通信及雷達信號分析等都需要比較高的分析帶寬。而預選器的存在,則可能會影響寬帶信號的分析。如果載波頻率比較低,采用低通濾波型預選器,將不會限制分析帶寬,因為這種預選器帶寬很大。而如果載波頻率較高,將會采用YIG預選器,這種可調諧式濾波器的帶寬很小,只有幾十MHz,當信號帶寬超過預選器帶寬時,將會限制寬帶信號的分析。

鑒于這種情況,一般在進行寬帶信號分析時,頻譜儀會自動bypass YIG預選器。

小結

本文詳細介紹了預選器對于掃頻式頻譜儀的重要性,通過舉例、圖解方式說明了為什么需要預選器以及預選器是如何工作的。預選器對于基本的頻譜分析是非常必要的,但是對于寬帶信號分析卻可能是一種限制,業界頻譜儀一般都會引入bypass機制,從而避免預選器對寬帶信號分析的限制。

小文雖短但不乏精華,希望大家持續關注“微波射頻網”,后續精彩不斷~

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