一種信號分析儀剩余響應(yīng)的抑制方法研究

中國電子科技集團公司第四十一研究所　張明岳　杜會文　杜依濤

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一種信號分析儀剩余響應(yīng)的抑制方法研究

中國電子科技集團公司第四十一研究所張明岳杜會文杜依濤

【摘要】信號分析儀作為一種被廣泛應(yīng)用的測量分析儀器，對其性能指標(biāo)的要求越來越高。剩余響應(yīng)是影響信號分析儀性能的一個重要指標(biāo)。通過其產(chǎn)生原理機制的分析，針對現(xiàn)實狀況，一方面從電路設(shè)計方面提出改進設(shè)計方案，另一方面從結(jié)構(gòu)工藝方面提出改進方案。從而有效地抑制剩余響應(yīng)，提高信號分析儀的性能。

【關(guān)鍵詞】信號分析儀；剩余響應(yīng)；抑制；混頻

0　引言

信號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、雷達等眾多領(lǐng)域。隨著科技的進步，現(xiàn)代信號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、相位噪聲測試等豐富的測試功能。其基本原理主要是采用超外差結(jié)構(gòu)。“外差”是指混頻，將輸入信號變頻到設(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是一個典型的超外差結(jié)構(gòu)信號分析儀的結(jié)構(gòu)框圖。由圖可知，輸入信號經(jīng)過兩次混頻步驟后達到最后的中頻。

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

1　剩余響應(yīng)的產(chǎn)生機理

剩余響應(yīng)是指當(dāng)沒有任何信號輸入的時候，信號分析儀顯示器上所顯示的離散響應(yīng)[1]。所以，剩余響應(yīng)實際上是一種假響應(yīng)，它的存在會干擾信號分析儀的測量，影響其測量的準(zhǔn)確性。由于本振信號輻射而產(chǎn)生的假信號就是一種剩余響應(yīng)。其產(chǎn)生的機制主要是因為第一本振泄露以及混頻器的非線性特性[2]而導(dǎo)致的。

輸入端口沒有輸入信號，并不代表就沒有信號頻率的存在。在引言中，我們知道信號分析儀通過兩次混頻的過程將射頻信號轉(zhuǎn)換到中頻進行處理。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。由于信號分析儀結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制，其內(nèi)部空間有限，也就導(dǎo)致各個功能模塊之間的空間間隔比較狹小。因此，LO1信號一方面通過空間向外輻射，另一方面通過信號通路泄露出來。這些信號泄露到混頻器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原始信號和它們的差信號之外，還包含它們的諧波以及原始信號與其諧波的差信號。若任何一個混頻信號落在中頻(IF)濾波器的通帶內(nèi)，它都會被進一步處理后顯示出來，如果這些信號幅度過大則會產(chǎn)生虛假信號影響測量的準(zhǔn)確性。通過公式(1)我們可以很清晰的看出，混頻器是如何將射頻信號變頻到中頻信號的。只有當(dāng)m、n等于1時，得到的才是我們所需要的信號。然而，實際情況卻是射頻信號和本振信號的諧波分量也在混頻器中產(chǎn)生了中頻信號并輸出到后端數(shù)字處理部分。

其中：

當(dāng)LO1信號泄露到混頻器2中時，整個頻段的信號以及其諧波信號與LO2信號和其諧波信號，經(jīng)過混頻產(chǎn)生了中頻信號。

2　剩余響應(yīng)的抑制方法

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

首先，改進屏蔽盒工藝，提高電路板的抗干擾能力。在信號分析儀的組成中，YIG振蕩器、頻率合成、頻率參考等模塊都會產(chǎn)生很多不同頻率的信號，這些信號輻射到其他功能板上后，對這些電路來說就是干擾信號了。可以說，信號分析儀自身就是一個復(fù)雜的輻射源。所以，各個功能模塊都需要采取必要的屏蔽措施來阻止外界信號對自身的干擾。其中，加裝屏蔽盒是一種很重要的防干擾措施。現(xiàn)在普遍采用的屏蔽盒組件主要通過在外框內(nèi)側(cè)開黏貼導(dǎo)電襯墊的方式(如圖3a所示)提高密封性，進行屏蔽。這種屏蔽盒具有較好的屏蔽作用，但隨著信號分析儀性能指標(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，增強了電路板的抗干擾能力。

圖3

其次，在LO2的信號通路上設(shè)計濾波模塊，抑制LO2的諧波信號的幅度。如圖4所示，在LO2通路上采用了多級濾波的方式，來確保對LO2信號諧波的充分抑制。在LO2輸入端口設(shè)計低通濾波器1，對輸入本振信號進行一次濾波，減小后面增益模塊的輸入信號諧波的功率。本振信號經(jīng)過放大后，再經(jīng)過一級帶通濾波器和低通濾波器2，進一步濾除其諧波分量。同時，低通濾波器2又將回波中的諧波分量濾除。因此，通過設(shè)計多級濾波器的濾波方案，大大降低了進入到混頻器2的本振信號中的諧波分量的功率。

圖4

以上針對剩余響應(yīng)采取的措施，主要是通過抑制進入到混頻器2的輸入信號諧波的方式來降低剩余響應(yīng)的功率。由于混頻器的非線性特性，才導(dǎo)致進入混頻器的信號諧波合成了剩余響應(yīng)。因此，對混頻器功率進行合適的調(diào)整，同樣可以起到抑制剩余響應(yīng)的作用。混頻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、三階截獲點指標(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。通過適當(dāng)降低混頻器電平，在保證1dB壓縮點、三階截獲點等指標(biāo)滿足要求的基礎(chǔ)上，使混頻器的輸入功率減小，從而達到抑制剩余響應(yīng)的作用。

3　結(jié)論

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

圖5

參考文獻

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

[2]Ludwig.R.著.王子宇等譯.射頻電路設(shè)計—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)供職于中國電子科技集團公司第四十一研究所，主要負責(zé)信號分析類儀器硬件電路開發(fā)設(shè)計工作。

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

作者簡介：

基金項目：國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項項目“高性能微波頻譜分析儀研制與應(yīng)用開發(fā)”（2012YQ200224）資助項目。