中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所　張明岳　杜會(huì)文　杜依濤

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一種信號(hào)分析儀剩余響應(yīng)的抑制方法研究

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所張明岳杜會(huì)文杜依濤

【摘要】信號(hào)分析儀作為一種被廣泛應(yīng)用的測(cè)量分析儀器，對(duì)其性能指標(biāo)的要求越來(lái)越高。剩余響應(yīng)是影響信號(hào)分析儀性能的一個(gè)重要指標(biāo)。通過(guò)其產(chǎn)生原理機(jī)制的分析，針對(duì)現(xiàn)實(shí)狀況，一方面從電路設(shè)計(jì)方面提出改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，另一方面從結(jié)構(gòu)工藝方面提出改進(jìn)方案。從而有效地抑制剩余響應(yīng)，提高信號(hào)分析儀的性能。

【關(guān)鍵詞】信號(hào)分析儀；剩余響應(yīng)；抑制；混頻

0　引言

信號(hào)分析儀是一種常用的分析儀器，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、通信、雷達(dá)等眾多領(lǐng)域。隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代信號(hào)分析儀在單一頻譜分析功能的基礎(chǔ)上，還提供了IQ分析、多域分析、相位噪聲測(cè)試等豐富的測(cè)試功能。其基本原理主要是采用超外差結(jié)構(gòu)?！巴獠睢笔侵富祛l，將輸入信號(hào)變頻到設(shè)定的中頻；而“超”則是指高于音頻的頻率范圍或射頻頻率。圖1是一個(gè)典型的超外差結(jié)構(gòu)信號(hào)分析儀的結(jié)構(gòu)框圖。由圖可知，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)兩次混頻步驟后達(dá)到最后的中頻。

圖1　典型超外差結(jié)構(gòu)信號(hào)分析儀的結(jié)構(gòu)框圖

1　剩余響應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理

剩余響應(yīng)是指當(dāng)沒(méi)有任何信號(hào)輸入的時(shí)候，信號(hào)分析儀顯示器上所顯示的離散響應(yīng)[1]。所以，剩余響應(yīng)實(shí)際上是一種假響應(yīng)，它的存在會(huì)干擾信號(hào)分析儀的測(cè)量，影響其測(cè)量的準(zhǔn)確性。由于本振信號(hào)輻射而產(chǎn)生的假信號(hào)就是一種剩余響應(yīng)。其產(chǎn)生的機(jī)制主要是因?yàn)榈谝槐菊裥孤兑约盎祛l器的非線性特性[2]而導(dǎo)致的。

輸入端口沒(méi)有輸入信號(hào)，并不代表就沒(méi)有信號(hào)頻率的存在。在引言中，我們知道信號(hào)分析儀通過(guò)兩次混頻的過(guò)程將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換到中頻進(jìn)行處理。如圖1所示，LO1是工作在掃頻模式，其工作頻段為3-10GHz，由YIG振蕩器產(chǎn)生。由于信號(hào)分析儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，其內(nèi)部空間有限，也就導(dǎo)致各個(gè)功能模塊之間的空間間隔比較狹小。因此，LO1信號(hào)一方面通過(guò)空間向外輻射，另一方面通過(guò)信號(hào)通路泄露出來(lái)。這些信號(hào)泄露到混頻器2中，并在混頻器中相互作用。

圖2是一種常用的混頻器的結(jié)構(gòu)原理圖。由圖我們可以看到，混頻器主要是由二極管組成的，這就決定了其非線性的特性。

圖2

由于混頻器是非線性器件，其輸出除了包含兩個(gè)原始信號(hào)和它們的差信號(hào)之外，還包含它們的諧波以及原始信號(hào)與其諧波的差信號(hào)。若任何一個(gè)混頻信號(hào)落在中頻(IF)濾波器的通帶內(nèi)，它都會(huì)被進(jìn)一步處理后顯示出來(lái)，如果這些信號(hào)幅度過(guò)大則會(huì)產(chǎn)生虛假信號(hào)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。通過(guò)公式(1)我們可以很清晰的看出，混頻器是如何將射頻信號(hào)變頻到中頻信號(hào)的。只有當(dāng)m、n等于1時(shí)，得到的才是我們所需要的信號(hào)。然而，實(shí)際情況卻是射頻信號(hào)和本振信號(hào)的諧波分量也在混頻器中產(chǎn)生了中頻信號(hào)并輸出到后端數(shù)字處理部分。

其中：

當(dāng)LO1信號(hào)泄露到混頻器2中時(shí)，整個(gè)頻段的信號(hào)以及其諧波信號(hào)與LO2信號(hào)和其諧波信號(hào)，經(jīng)過(guò)混頻產(chǎn)生了中頻信號(hào)。

2　剩余響應(yīng)的抑制方法

剩余響應(yīng)抑制是反映信號(hào)分析儀性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。理想狀態(tài)下，是應(yīng)將剩余響應(yīng)信號(hào)湮沒(méi)在噪聲基底中。但是在實(shí)際工程實(shí)踐中，目前還無(wú)法達(dá)到這種理想狀態(tài)，只能通過(guò)在電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和空間布局等方面來(lái)提高對(duì)剩余響應(yīng)的抑制能力。通過(guò)調(diào)整電路和結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)，從源頭上減小輻射到混頻器2的射頻信號(hào)的功率，同時(shí)在LO2通路上設(shè)計(jì)合適的濾波電路來(lái)抑制第二本振信號(hào)的諧波的功率。輸入射頻和本振信號(hào)的多余頻率的功率得到了抑制，從而達(dá)到抑制輸出中頻的作用。

首先，改進(jìn)屏蔽盒工藝，提高電路板的抗干擾能力。在信號(hào)分析儀的組成中，YIG振蕩器、頻率合成、頻率參考等模塊都會(huì)產(chǎn)生很多不同頻率的信號(hào)，這些信號(hào)輻射到其他功能板上后，對(duì)這些電路來(lái)說(shuō)就是干擾信號(hào)了?？梢哉f(shuō)，信號(hào)分析儀自身就是一個(gè)復(fù)雜的輻射源。所以，各個(gè)功能模塊都需要采取必要的屏蔽措施來(lái)阻止外界信號(hào)對(duì)自身的干擾。其中，加裝屏蔽盒是一種很重要的防干擾措施?，F(xiàn)在普遍采用的屏蔽盒組件主要通過(guò)在外框內(nèi)側(cè)開(kāi)黏貼導(dǎo)電襯墊的方式(如圖3a所示)提高密封性，進(jìn)行屏蔽。這種屏蔽盒具有較好的屏蔽作用，但隨著信號(hào)分析儀性能指標(biāo)要求的不斷提高，我們提出了一種應(yīng)用新工藝方式、具有更好屏蔽效果的屏蔽盒。該工藝采用“導(dǎo)電橡膠涂覆”方式(如圖3b所示)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的黏貼導(dǎo)電襯墊方式，使屏蔽盒腔體與電路之間貼合更加緊密，密封性提高，增強(qiáng)了電路板的抗干擾能力。

圖3

其次，在LO2的信號(hào)通路上設(shè)計(jì)濾波模塊，抑制LO2的諧波信號(hào)的幅度。如圖4所示，在LO2通路上采用了多級(jí)濾波的方式，來(lái)確保對(duì)LO2信號(hào)諧波的充分抑制。在LO2輸入端口設(shè)計(jì)低通濾波器1，對(duì)輸入本振信號(hào)進(jìn)行一次濾波，減小后面增益模塊的輸入信號(hào)諧波的功率。本振信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，再經(jīng)過(guò)一級(jí)帶通濾波器和低通濾波器2，進(jìn)一步濾除其諧波分量。同時(shí)，低通濾波器2又將回波中的諧波分量濾除。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)多級(jí)濾波器的濾波方案，大大降低了進(jìn)入到混頻器2的本振信號(hào)中的諧波分量的功率。

圖4

以上針對(duì)剩余響應(yīng)采取的措施，主要是通過(guò)抑制進(jìn)入到混頻器2的輸入信號(hào)諧波的方式來(lái)降低剩余響應(yīng)的功率。由于混頻器的非線性特性，才導(dǎo)致進(jìn)入混頻器的信號(hào)諧波合成了剩余響應(yīng)。因此，對(duì)混頻器功率進(jìn)行合適的調(diào)整，同樣可以起到抑制剩余響應(yīng)的作用?；祛l器電平是決定混頻器性能的關(guān)鍵，混頻器電平越高，混頻器的1dB壓縮點(diǎn)、三階截獲點(diǎn)指標(biāo)越高。然而，混頻器電平越高，也就意味著其產(chǎn)生的剩余響應(yīng)的功率越大。通過(guò)適當(dāng)降低混頻器電平，在保證1dB壓縮點(diǎn)、三階截獲點(diǎn)等指標(biāo)滿(mǎn)足要求的基礎(chǔ)上，使混頻器的輸入功率減小，從而達(dá)到抑制剩余響應(yīng)的作用。

3　結(jié)論

剩余響應(yīng)作為一項(xiàng)衡量信號(hào)分析儀性能的重要指標(biāo)，有效地抑制剩余響應(yīng)的功率，對(duì)提高信號(hào)分析儀的測(cè)量準(zhǔn)確度具有重大作用。本文通過(guò)對(duì)剩余響應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理以及電路模塊功能特性的分析，通過(guò)改進(jìn)屏蔽工藝、對(duì)輸入信號(hào)充分濾波和調(diào)整混頻器電平等措施，有效的抑制了剩余響應(yīng)。通過(guò)整機(jī)測(cè)試驗(yàn)證，改進(jìn)后信號(hào)分析儀的剩余響應(yīng)得到明顯改善。如圖5所示，設(shè)置頻率6.5GHz，無(wú)射頻輸入的情況下，剩余響應(yīng)幅度由-109dBm減小到-129dBm。通過(guò)對(duì)比可以看出，經(jīng)過(guò)改良處理后，剩余響應(yīng)得到了有效抑制。

圖5

參考文獻(xiàn)

[1]張永慧.頻譜分析基礎(chǔ)[M].北京:安捷倫科技(中國(guó))有限公司,2011:24-27.

[2]Ludwig.R.著.王子宇等譯.射頻電路設(shè)計(jì)—理論與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002:141-150.

張明岳，助理工程師，現(xiàn)供職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，主要負(fù)責(zé)信號(hào)分析類(lèi)儀器硬件電路開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作。

Study on a Method for Restraining the Residual Response of Signal Analyzer

Abstract：As a widely used measurement and analysis instrument,the requirement of signal analyzer’s performance is higher and higher. residual response is a important index which could affect the signal analyzer’s performance.aimed at the present situation,throughanalysising the principle of its produce,a improvement of circuit design and structure technology is proposed.the improvement will restrain the residual response efficiently,and then increase the signal analyzer’s performance.

Keyword：Signal analyzer；Residualresponse；Restraint；Mixer

作者簡(jiǎn)介：

基金項(xiàng)目：國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“高性能微波頻譜分析儀研制與應(yīng)用開(kāi)發(fā)”（2012YQ200224）資助項(xiàng)目。