沈 旭，張福洪

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

射頻頻譜分析儀具有帶寬寬、靈敏度高、動態(tài)范圍大等特點，是現(xiàn)代微波測量的重要工具。接收機前端主要將大動態(tài)范圍的輸入射頻信號轉(zhuǎn)化為窄帶易處理的低中頻信號，是頻譜分析儀的核心部件，接收機前端指標(biāo)的高低和性能的好壞直接影響整個頻譜分析儀的指標(biāo)與性能［1］。本文根據(jù)超外差原理設(shè)計頻譜分析儀接收機前端的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合安捷倫E4402B頻譜分析儀的參數(shù)指標(biāo)，選用適合的元器件芯片。并在ADS環(huán)境下進行仿真分析，驗證設(shè)計方案的有效性。

1 接收機前端的設(shè)計指標(biāo)

靈敏度是頻譜分析儀辨識低電平信號的能力，為實現(xiàn)更好的頻譜分析儀測試靈敏度，接收機前端處理過程中的級聯(lián)噪聲和失真需要盡可能降低。參考E4402B頻譜分析儀數(shù)據(jù)手冊，本文接收機前端設(shè)計主要需滿足的關(guān)鍵指標(biāo)如下［2］:

(1)接收機的靈敏度，在最小分辨率RBW=1Hz時，接收機最大靈敏度要求為-150dBm;

(2)互調(diào)抑制比，雙音等幅輸入電平-30dBm時，三階互調(diào)比小于-85dBc，且三階截點為16dBm。

其他參考指標(biāo)如表1所示，包括頻率覆蓋范圍、頻率響應(yīng)、最大安全輸入電平等。

表1 E4402B相關(guān)指標(biāo)要求

2 方案設(shè)計與分析

接收機射頻部分通常采用一級或多級混頻電路實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)變，射頻輸入頻率fRF，本振頻率fLO和中頻輸出頻率fIF的關(guān)系如下:

式中，m、n為諧波次數(shù)。僅考慮一次變頻(m、n=1)，式1簡化為:

由式2可見，對于一個確定的本振和中頻頻率，總存在兩個接收頻率滿足要求，即除了需要的接收頻率之外，必存在一個鏡像頻率［3］。如圖1(a)所示，當(dāng)fRF〉2fIF時，輸入頻率與鏡像頻率有重疊。為保證接收有用信號，可應(yīng)用可調(diào)諧的帶通濾波器抑制鏡像頻率。但由于輸入頻帶較寬，調(diào)諧濾波器設(shè)計過于復(fù)雜，實際應(yīng)用中通常采用復(fù)雜度較低的高中頻方案如圖1(b)所示，鏡像頻率與輸入頻率不重疊，可通過固定的濾波器濾除鏡像頻率。

圖1 外差式頻譜分析儀的鏡像頻率范圍

頻譜分析儀在低頻率上處理信號，該信號一般選取21.4MHz。若將第一中頻3 921.3MHz直接轉(zhuǎn)變到21.4MHz，鏡像頻率與第一中頻僅相隔42.8MHz。由于混頻器的RF和IF端口之間有限的隔離度，RF信號可能直通第一中頻，形成中頻饋通［4］，圖1(a)中濾波器對該鏡像頻率的不能全部抑制。為解決以上問題，可以提高第二中頻頻率，第二本振與第一中頻之間的距離隨之增大，容易實現(xiàn)第一中頻濾波器，也能抑制中頻饋通。本文采用方案如圖2所示，先變頻到第二中頻321.4MHz，再加第三級混頻將信號轉(zhuǎn)變到21.4MHz。

圖2 頻譜分析儀接收機前端框圖

3 接收機前端系統(tǒng)仿真

頻譜分析儀的靈敏度通常為顯示平均噪聲電平，環(huán)境溫度290K時，平均噪聲電平表示為［5］:

式中，-174dBm為噪聲基底，即環(huán)境溫度為290K時在1Hz帶寬內(nèi)的熱噪聲功率，BN，IF為中頻濾波器的噪聲帶寬，NFSA為頻譜分析儀的噪聲系數(shù)，-2.5dB是由于取樣檢波器對噪聲欠加重和對數(shù)電平值的平均引起的噪聲誤差。級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的總噪聲因子Ft:

式中，F(xiàn)i為單級噪聲因子、Gi為單級增益，n為級數(shù)。固有噪聲:

固有噪聲與衰減器和分辨率帶寬相關(guān)，在分辨率確定的情況下，要提高頻譜儀的靈敏度需要將衰減器設(shè)置盡量小，以降低噪聲電平，使信號不被噪聲淹沒。頻譜分析儀最高靈敏度通常在衰減器0dB設(shè)置下獲得，參考E4402B參數(shù)指標(biāo)，最小分辨率為1Hz(衰減器0dB)時，最大靈敏度-150dBm?？蓪?dB帶寬近似為噪聲帶寬，根據(jù)式3，可得NFSA≤26.5dB。

接收機前端采用3次變頻方案，電路需選擇滿足要求的混頻器和中頻放大器。為滿足低噪聲要求，中頻放大器需要噪聲小、增益高［1］;為保證信號的線性度，放大器1dB壓縮點越高越好且需要足夠穩(wěn)定，結(jié)合E4402B指標(biāo)要求，中頻放大器選用芯片HMC395、Gali 51+和ADL5531?；祛l器分別選用MRFIC2002、HMC395、ADL5802，有較高的隔離度和P1壓縮點，變頻損耗范圍在可接受范圍，且由式4可得該方案噪聲總因子Ft=80.835，噪聲系數(shù)NF=10logF=19.076dB，滿足設(shè)計求。在ADS環(huán)境下進行接收機前端系統(tǒng)仿真，如圖3所示，按實際選用芯片設(shè)定各級元器件參數(shù)，使系統(tǒng)仿真結(jié)果滿足設(shè)計指標(biāo)，射頻輸入頻率1GHz，輸入、輸出信號頻譜圖如圖4所示。

輸入等幅雙音信號頻率分別為1GHz、1.000 05GHz，電平為-30dBm，中頻附近的頻譜特性如圖5所示，該接收機前端的三階互調(diào)失真IMD3=m1-m2=-88.803dBc;輸入公式TOIoutput=1.5m1-0.5m2，顯示仿真結(jié)果 TOI為 16.305dBm。當(dāng)前設(shè)計下，由式 3可得最大靈敏度 DANL為-157.724dBm，最大動態(tài)范圍DR=2/3(TOI-DANL)=119.019dB，除去10dB保護帶，可用動態(tài)范圍為109.019dB，仿真結(jié)果基本優(yōu)于指標(biāo)要求。

圖3 諧波仿真原理圖

4 結(jié)束語

本文分析了0-3GHz頻譜分析儀接收機前端的設(shè)計方法，采用3次變頻超外差結(jié)構(gòu)方案實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換，結(jié)合安捷倫E4402B頻譜分析儀指標(biāo)設(shè)置接收機前端混頻器、中頻放大器參數(shù)。充分利用ADS軟件進行仿真分析，仿真結(jié)果基本滿足預(yù)設(shè)指標(biāo)，本文方案設(shè)計合理。

［1］ 來晉銘.8GHz頻譜分析儀接收機前端的研制［D］.成都:電子科技大學(xué)，2009.

［2］ Agilent Technologies.ESA-E Series Spectrum Analyzer［EB/OL］.http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-9815EN.pdf，2011-07-27.

［3］ 李新偉.頻譜分析儀混頻原理深層解析［J］.自動化與儀器儀表，2008，(5):63-64.

［4］ 梁強.射頻頻譜分析儀的設(shè)計研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

［5］ Christoph Rauscher.Fundamentals of Spectrum Analysis［M］.München:Rohde ＆ Schwarz GmbH ＆ Co.KG，2007:102-105.