避免頻譜分析儀測量中出現較大幅度誤差
2015-09-07
微波頻譜分析儀采用可調諧預選濾波器，通過去除多余的混頻器鏡像（mixerimage）以及本地振蕩器（LO）的諧波響應來改善性能。不幸地是，這些預選器不穩定，必須頻繁地調諧，而且正確的預選器調諧通常要求在感興趣頻率處的信號近似為CW統計分布。在新型MXA信號分析儀中，一個完整的噪聲源被用作預選濾波器的調諧信號，這有助于確保濾波器精度成為該儀器中自動例行程序的要素。
工作在26.5GHz的現代頻譜分析儀具有一個"低頻帶"和一個"高頻帶"信道，如圖1所示。低頻帶通常可工作在3GHz或更高頻率。在低頻帶上，信號上變頻到接近4GHz或更高的高IF頻段，然后再下變頻到接近300MHz的較低IF頻段。這種雙變頻方式可以極大地減少混頻器鏡像響應。
"高頻帶"頻率范圍實際上不能通過與低頻帶范圍一樣的模塊圖來創建，這是因為初級IF放大器將不得不工作在某個頻率下，該頻率下的放大器噪聲和失真總是無法滿足操作人員的要求。如圖1所示的備選模塊采用單個轉換步驟到IF輸出。在這個模塊圖中，初級混頻器中的鏡像響應僅通過兩倍IF大小的頻率（或大約600MHz）來間隔。這些鏡像在頻譜分析儀中不受歡迎。因此，可采用可調諧預選濾波器（帶通濾波器）來去除鏡像。
為實現微波頻率下所要求的抑制性能和調諧帶寬，預選濾波器以釔鐵石榴石（YIG）技術為基礎。YIG球的行為被控制在一個精確的磁場中，可產生用于去除來自頻譜分析儀信道的多余鏡像與響應的濾波器通帶諧振。
YIG=yttrium iron garnet 釔鐵石榴石（一種具有多項磁特性的氧化鐵合成晶體， 常用以調節激光） 成釔鐵石榴石采用溶膠-凝膠法制備了YIG納米晶粉體材料，分析了合成條件（pH值、濃度、反應溫度和反應時間）以及熱處理等影響材料合成的主要參數，利用DTA,TGA,XRD,TEM等手段對材料的制備過程和產物進行了分析，探討材料制備最適宜的工藝條件，著重研究了熱處理工藝對YIG的晶相和顆粒尺度等物理特性的影響，實驗結果表明，YIG相的形成是一個放熱溫度始于500℃，峰位于759℃的緩緩的放熱過程，且樣品平均晶粒尺寸隨熱處理呈規律性變化，因此可以通過采用溶膠-凝膠法及適當的熱處理條件在較低的溫度下制備單相YIG納米粉體材料。
調諧后漂移是YIG調諧帶通濾波器不穩定特性的一種表現。用于調諧YIG球諧振頻率的磁鐵隨著所選頻率的變化而加熱或冷卻。磁鐵的溫度變化會影響磁鐵的尺度及磁場強度，從而影響濾波器調諧的頻率。磁鐵/球結構的機械老化過程類似，同樣導致不穩定性增大。
同樣，調諧電流和濾波器中心頻率之間的關系并不能通過任何簡單的代數函數來精確建模。因此，即使調諧非常穩定，但也會存在調諧誤差。結果就是頻率調諧誤差導致幅度誤差（圖2）。
圖2a顯示了一個典型的YIG濾波器響應。x軸表示頻率，但由于YIG濾波器的頻率幾乎與調諧電流成正比，x軸也可以被認為是YIG濾波器的調諧電流。在這個例子中，較小的調諧電流誤差映射成工作點上與通帶斜率成正比的幅度誤差。設計工作點是-4dB響應點之間的中點，因為就調諧誤差而言該設計非常魯棒。
可以通過利用現代頻譜分析儀進行測量的方式調節YIG濾波器。用戶可以直接調節工作電流，或執行"預選器取中 （preselectorcenter）"操作。由于頻譜分析儀的幅度響應是在對預選器調諧取中的條件下進行出廠校準的，所以取中是最佳操作。請注意，預選器的調諧精度變差將導致幅度精度降低。
圖2b顯示了YIG濾波器取中操作的重要性。A點表示用于對YIG濾波器頻率響應進行出廠校準的坐標位置。該點位于新型分析儀室溫下的響應曲線上。其水平位置在-4dB（相對峰值）響應頻率之間的中點。
B點位于一條平移（congruent）曲線上，當環境溫度改變時，垂直位移表示所期望的總系統響應變化。除了環境溫度變化之外，調諧后漂移和老化的影響可能導致在曲線上取到的點為F.在這種情況下，幅度誤差可能非常大。該誤差可以表示為長度E,即響應點B和F之間的差值。
為改善幅度精度，分析儀的YIG預選濾波器應再次進行取中操作。范圍C表示相對最新調諧曲線峰值的-4dB點的位置。再次取中點可得到如G點所示的響應。現在距離D代表新的誤差，它比初始誤差距離E要小很多。
為優化調諧功能，可采用"預選器取中"算法測量濾波器響應。該算法假設有類似CW的輸入信號，并在掃描調諧電流時觀察相對響應。在該相對響應曲線上查找-4dB點，并在這些點之間取調諧的中點。
這個預選器取中算法的假設之一是，在取中操作的掃描期間，濾波器的輸入信號表現出良好的幅度穩定性。這一穩定性必須在1dB下保持良好，以使幅度變化不會被誤認為是濾波器通帶形狀的變化。同樣的道理，該信號還必須具有最小頻率調制。雖然在1MHz下表現良好的調制在帶寬上可以接受，但寬帶數字調制會引起調諧誤差。最后，該信號必須具有優良的信噪比（SNR）。
對輸入信號的上述約束在實際測量應用中可能會造成問題。例如，當測量低水平諧波時不能進行取中操作。取中操作不能用于測量點噪聲密度。它不能與日益普遍的數字通信信號協作，例如正交頻分復用（OFDM）、寬帶碼分多址（WCDMA）或時分多址（TDMA）格式信號。同樣地，它不能與大部分雷達信號協作。
因此，盡管頻譜分析儀的幅度精度指標僅在預選器取中操作之后才有意義，但取中操作往往做不到，這會導致測量精度極大降低。
如果分析儀集成了專用于預選器取中操作的全范圍CW信號發生器，那么用戶將不需要提供合適的信號。遺憾的是，這種功能的經濟代價太大。不過，通過采用寬帶噪聲發生器和新的中心算法，可以經濟地完成沒有嚴格信號要求的取中操作。這一新方法的模塊圖如圖3所示。
從表面上看，似乎噪聲源對調諧YIG預選濾波器并沒有什么幫助。畢竟濾波器產生的噪聲量幾乎與調諧電流無關。但噪聲的頻率分布已經改變了。進入IF的噪聲量將隨調諧電流而變化。通過分析圖4的曲線，預選器取中算法可以僅利用噪聲源來對通帶進行取中操作。
可以在每一個用戶感興趣的頻率調用取中算法。但是，內置的噪聲源也允許在分析儀中實現并任意重新進行總調諧曲線的出廠校準，而不是只能求助于裝備齊全的設備。因此，可以通過不定期運行"特征預選器"操作來消除老化和（重要性極低）環境溫度變化的影響。采用一個性能優異的預選器，則幾乎不需要進行取中操作。無需重取中點甚至會比無需類似CW信號的取中操作更方便。
總之，通過加入噪音源及新的調諧算法，安捷倫MXA信號分析儀可以在所有類型的信號（而不僅僅高幅度、接近CW分布的信號）測量中滿足其微波幅度精度指標的要求。例如，在6GHz頻率下測量40MHz的數字調制信號時，盡管正確的取中操作改善了需確保的±1.5dB精度，但未進行有效預選器取中操作的測量精度并沒有被確定下來，而且可能比-10dB更差。
頻譜分析儀產品鏈接：http://www.bjdaisi.com.cn/product/Spectrum-Analyzer/
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