頻譜儀中不同頻率范圍的RF前端的設(shè)計(jì)

在頻譜儀基礎(chǔ)（二）講述了高低中頻的選擇，對(duì)于9kHz到7GHz信號(hào)前端處理，我們需要分段進(jìn)行處理，9kHz到3GHz信號(hào)采用高中頻的方式，3GHz到7GHz采用低中頻的方式直接將信號(hào)頻譜搬移到低中頻。

1.9kHz到3GHz信號(hào)前端處理

在圖1所示中，第一個(gè)IF設(shè)置為3476.4MHz。將輸入頻率范圍從9kHz到3GHz的輸入信號(hào)通過(guò)上變頻轉(zhuǎn)換到頻率為3476.4MHz，所以LO信號(hào)⑤必須在3476.40MHz~6476.4MHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行掃頻或者調(diào)頻。根據(jù)公式，鏡像頻率范圍為6952.809MHz~9952.8MHz。

圖1 第一級(jí)混頻電路

對(duì)于9kHz~3GHz的第一級(jí)混頻，LO信號(hào)⑤頻率范圍3476.40MHz~6476.4MHz可變，同時(shí)根據(jù)傅里葉變換可知，兩個(gè)信號(hào)時(shí)域相乘，頻域是相卷積，即LO信號(hào)上任何的干擾都會(huì)毫無(wú)保留的出現(xiàn)在輸出頻譜上，所以LO信號(hào)不僅僅需要超寬的頻率范圍，也需要相對(duì)低的相位噪聲以及諧波。

為滿足這些指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)LO的方式有三種：YIG 振蕩器、VCO（壓控振蕩器）、PLL+VCO。

1.YIG 振蕩器：通常被用作LO，其利用磁場(chǎng)來(lái)改變振蕩器的頻率；

2.VCO（壓控振蕩器）：VCO的特點(diǎn)是有一個(gè)更小的可變范圍與YIG振蕩器相比，VCO可以比YIG振蕩器調(diào)諧快得多。

3.PLL+VCO：PLL利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位，與VCO配合輸出更寬LO頻率。

在頻譜儀中，最為常用就是PLL+VCO構(gòu)架產(chǎn)生LO信號(hào)。為了提高頻譜的頻率精度，本振LO采用PLL技術(shù)，通過(guò)一個(gè)鎖相環(huán)（PLL）將輸入信號(hào)鎖定到一個(gè)參考信號(hào)上（系統(tǒng)的參考時(shí)鐘）。但是采用PLL的方式，輸出信號(hào)并不是連續(xù)可調(diào)，而是步進(jìn)調(diào)節(jié)設(shè)置，同時(shí)步進(jìn)調(diào)節(jié)設(shè)置依賴于頻譜儀設(shè)置的分辨率帶寬（RBW），因此較小分辨率帶寬（RBW）需要PLL較小的調(diào)諧步進(jìn)。否則，輸出信號(hào)不能覆蓋整個(gè)掃頻范圍，而且會(huì)造成功率誤差。如圖2所示，左圖表示，PLL的步進(jìn)調(diào)節(jié)遠(yuǎn)大于分辨率帶寬，這導(dǎo)致在掃頻時(shí)，步進(jìn)跳轉(zhuǎn)過(guò)大導(dǎo)致輸入信號(hào)混頻后沒(méi)有進(jìn)入到中頻濾波器的帶內(nèi)，造成信號(hào)的丟失。右圖表示，PLL的步進(jìn)調(diào)節(jié)大于分辨率帶寬，這導(dǎo)致在掃頻時(shí)，步進(jìn)跳轉(zhuǎn)不合理導(dǎo)致輸入信號(hào)混頻后沒(méi)有進(jìn)入到中頻濾波器的通帶內(nèi)，造成信號(hào)的功率誤差，為了避免以上兩種錯(cuò)誤，其PLL的設(shè)置的步長(zhǎng)遠(yuǎn)低于分辨率（RBW），在實(shí)際設(shè)計(jì)，PLL的調(diào)節(jié)步進(jìn)應(yīng)該小于0.1·RBW（1/10），比如頻譜儀設(shè)置的RBW為10kHz，那么LO輸出的頻率步進(jìn)應(yīng)該是小于1KHz的，但是在設(shè)計(jì)LO時(shí)，可以考慮LO電路的步進(jìn)根據(jù)RBW設(shè)置進(jìn)行分段調(diào)節(jié)。

圖2 PLL步進(jìn)和分辨率帶寬

對(duì)于LO的參考信號(hào)，通常由一個(gè)溫度控制的晶體振蕩器（TCXO）產(chǎn)生。為了提高頻率精度和長(zhǎng)期性穩(wěn)定性，（OCXO） 振蕩器可作為大多數(shù)頻譜儀的參考時(shí)鐘。同時(shí)為了保持與其他測(cè)量?jī)x器同步以及板內(nèi)源同步，參考信號(hào)（通常采用10MHz）可由輸入連接器（BNC接口）輸入或是采用板內(nèi)的參考時(shí)鐘。需要與其他測(cè)量?jī)x器同步測(cè)試時(shí)，采用外部參考時(shí)鐘和外部觸發(fā)測(cè)量即可。

經(jīng)過(guò)了第一級(jí)混頻之后，IF1中頻輸出為3476.4MHz，對(duì)于這個(gè)信號(hào)直接采集，所要付出的代價(jià)太大，所以我們需要將IF1中頻信號(hào)再通過(guò)下變頻至低頻IF2進(jìn)行采集，如10.7MHz、20.4MHz。這樣的就減少了對(duì)ADC的采樣率的要求。如圖3所示，試想一下，如果直接將IF1中頻3476.4MHz下變頻至20.4MHz，是否可以。理論上是可以實(shí)現(xiàn)的，此時(shí)LO頻率采用3456MHz，那么IF2=20.4MHz，鏡像頻率為3435.6MHz，這里就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，IF1和鏡像信號(hào)頻率之差只有2*20.4=40.8MHz，為了抑制鏡像的干擾，所需要的BPF（帶通濾波器）的帶寬就非常窄、中心頻率高，同時(shí)帶外對(duì)鏡像抑制又要非常的強(qiáng)，實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是比較復(fù)雜的。同時(shí)由于第一級(jí)Mixer的各個(gè)端口的隔離度是有限的，那么RF和LO是會(huì)泄露到IF1中的，所以直接下變頻至20.4MHz，對(duì)中頻濾波器⑧設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。

圖3 二級(jí)下變頻至第中頻IF2

由于IF1=3476.4MHz信號(hào)頻率高，如果IF2=20.4MHz，需要一個(gè)極復(fù)雜的濾波器來(lái)完成對(duì)鏡像信號(hào)的抑制，中頻濾波器⑧需要非常陡峭的帶外抑制。如圖4所示，因此，將IF1下變頻到IF2時(shí)，IF2可以采用相對(duì)高的頻率，如404.4MHz。若中頻IF2=404.4MHz，一個(gè)固定的LO信號(hào)（二級(jí)本振） 為3072MHz，鏡像頻率為2667.6MHz。那么，鏡像抑制的中頻濾波器⑧就很容易實(shí)現(xiàn)了。同時(shí)帶通濾波器的帶寬足夠大，IF1信號(hào)不會(huì)受損 （即使是對(duì)于最大分辨率的帶寬）。同時(shí)減少總噪聲，在二次變頻時(shí)，對(duì)輸入信號(hào)被放大⑦，放大器的增益可以根據(jù)第二級(jí)Mixer的-1dB壓縮點(diǎn)合理設(shè)置。

圖4 9KHz~3GHz鏈路

2.3GHz到7GHz信號(hào)前端處理經(jīng)過(guò)低頻段鏈路的分析，對(duì)于高頻段分析也具備了一定的基礎(chǔ)，3GHz~7GHz頻率段，可以直接將輸入信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為固定低IF，使用帶通濾波器抑制鏡像干擾，此時(shí)只要本地振蕩器頻率范圍滿足下變頻要求即可。如圖5所示，3GHz到7GHz信號(hào)前端鏈路。

圖5 3GHz到7GHz信號(hào)前端鏈路

在鏈路中，頻譜分析儀的頻率范圍是從3GHz到7GHz。經(jīng)過(guò)衰減器后，輸入信號(hào)為由雙工器（19） 將輸入信號(hào)分成9kHz至3GHz和3GHz的到7GHz，并應(yīng)用于相應(yīng)的射頻前端。在高頻部分，信號(hào)通過(guò)YIG濾波器之后進(jìn)入到一級(jí)混頻器當(dāng)中，YIG濾波器的中心頻率對(duì)應(yīng)是此時(shí)輸入信號(hào)的頻率，比如輸入4.5GHz，那么該YIG濾波器的中心為4.5GHz，同時(shí)YIG濾波器除了中心頻率可調(diào)以外，其還具有非常窄的帶寬。前文中，假設(shè)直接下變頻至低中頻20.4MHz，那么對(duì)于混頻器輸入端的帶通濾波器而言，濾波器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。同樣的對(duì)于高頻段的鏈路，直接下變頻至20.4MHz，依然會(huì)面臨這個(gè)問(wèn)題，YIG無(wú)法提供如此窄的帶寬。所以，高頻段IF可以采用相對(duì)高的頻率，如404.4MHz。這樣YIG濾波器能夠滿足抑制鏡像的功能。所以中頻可以采用404.4MHz，此時(shí)LO的頻率范圍為：2595.6MHz~ 6595.6 MHz或者3404.4 MHz~7404.4 MHz如果通過(guò)軟件來(lái)完成對(duì)兩種轉(zhuǎn)換之間切換，就可以在只用一個(gè)LO既可以完成頻率的轉(zhuǎn)換，此時(shí)LO頻率范圍為：3404.4MHz ~6595.6MHz，可以9KHz~3GHz頻率段共用本振。但是輸入的信號(hào)頻率為3GHz~13.6GHz時(shí)，本振LO信號(hào)頻率范圍為2595.6MHz~ 13.1954 GHz（，就不能使用低頻段的本振。最終轉(zhuǎn)換為 404.4 MHz 中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)中頻放大器（23）并通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)切換到低頻路徑上完成高頻段下變頻。

通過(guò)面前的鏈路的分析，對(duì)于輸入的信號(hào)頻率為3GHz~13.6GHz時(shí)，LO頻率范圍為2595.6 MHz~ 13.1954GHz，直接由PLL+VCO輸出LO信號(hào)代價(jià)太大。特別是當(dāng)頻譜儀的高達(dá)30GHz或是更高的40GHz帶寬時(shí)，PLL+VCO直接輸出LO代價(jià)太大。但是可以利用倍頻器和器件的非線性來(lái)獲取高頻率的本振信號(hào)。

采用倍頻器的方式，就是PLL+VCO輸出的信號(hào)進(jìn)行倍頻，比如2倍、4倍，即可得到高的LO頻率了。采用倍頻器，可以獲得最小的轉(zhuǎn)換損耗，從而保持頻譜分析儀的低噪聲系數(shù)，但是除了乘法器（22）之外，還需要濾波器來(lái)抑制乘法后的次諧波，同時(shí)混頻器的LO輸入端必須提供足夠高的 LO 電平，因此所需的放大器必須是高寬帶的、低失真的。

采用器件的非線性特性時(shí)，就是利用器件的非線性產(chǎn)生所需要的諧波，比如2次諧波。采用器件的非線性特性時(shí)，通過(guò)諧波混合的轉(zhuǎn)換更容易實(shí)現(xiàn)，但意味著更高的轉(zhuǎn)換損耗。需要在較低頻率范圍內(nèi)的 LO 信號(hào)，該信號(hào)必須以高電平施加到混頻器。由于混頻器的非線性和高 LO 電平，只要諧波具有功率就可以用于頻率轉(zhuǎn)換。以上就是對(duì)高LO獲取的方式，最常用的是第一種方式，代價(jià)最小。但是這兩個(gè)方式在實(shí)踐中的使用取決于價(jià)格等級(jí)頻譜儀。同時(shí)這兩種方法的組合是可能的。當(dāng)然在更高頻率時(shí)，也可以使用外本振。

作者：YELL， 來(lái)源：面包板社區(qū)