超外差频谱分析仪的原理及组成

显示器

扫描产生器

3.1 超外差式频谱分析仪的原理及组成

3.1.1 超外差频谱分析仪的原理结构图

图3-1所示，为超外差频谱分析仪的简单原理结构图。

图3-1 超外差频谱分析仪的简单原理结构图

由图3-1可知：超外差频谱分析仪一般由射频输入衰减器、低通滤波器或预选器、混频器、中频增益放大器、中频滤波器、本地振荡器、扫描产生器、检波器、视频滤波器和显示器组成。

超外差频谱分析仪的工作原理是：射频输入信号通过输入衰减器，经过低通滤波器或预选器到达混频器，输入信号同来自本地振荡器的本振信号混频，由于混频器是一个非线性器件，因此其输出信号不仅包含源信号频率（输入信号和本振信号），而且还包含输入信号和本

第3章

超外差式频谱分析仪的原理

振信号的和频与差频，如果混频器的输出信号在中频滤波器的带宽内，则频谱分析仪进一步处理此信号，即通过包络检波器、视频滤波器，最后在频谱分析仪显示器CRT 的垂直轴显示信号幅度，在水平轴显示信号的频率，从而达到测量信号的目的。 3.1.2 RF 输入衰减器

超外差频谱分析仪的第一部分就是RF 输入衰减器。可变输入衰减器的作用是保证混频器有一个合适的信号输入电平，以防止混频器过载、增益压缩和失真。由于衰减器是频谱分析仪的输入保护电路，因此基于参考电平，它的设置通常是自动的，但是也可以用手动的方式设置频谱分析仪的输入衰减大小，其设置步长是10dB 、5dB 、2dB ，甚至是1dB ，不同频谱分析仪其设置步长是不一样的。如Agilent 8560系列频谱分析仪的输入衰减的设置步长是10dB 。

图3-2是一个最大衰减为70dB ，步长为2dB 的输入衰减器电路的例子。电路中的电容器是用来避免频谱分析仪被直流信号烧毁，但可惜的是它不仅衰减了低频信号，而且使某些频谱分析仪最小可使用频率增加到100Hz ，而其他频谱分析仪增加到9kHz 。

图3-2 RF 输入衰减器电路

图3-3所示，当频谱分析仪RF 输入信号和本振信号加到混频器的输入时，可以调整RF 输入衰减器，使混频器的输入信号电平合适或最佳，这样就可以提高测量精度。

0到70dB 衰减，步长2dB

电容器

本地振荡器

图3-3 混频器的最佳输入电平

不同的频谱分析仪，其混频器的最佳输入电平是不同的。表3-1所示，为Agilent 8560系列频谱分析仪的二次谐波失真与混频器的最佳输入电平。

表3-1 8560系列频谱分析仪的二次谐波失真与混频器的最佳输入电平

超外差频谱分析仪的输入电路十分灵敏，无法承受操作失误带来的后果，因此频谱分析仪的射频输入信号电平不能大于频谱分析仪的最大输入电平，我们把最大输入信号电平称为频谱分析仪的安全输入电平。如果输入的射频信号电平大于最大输入信号电平，就会烧毁频谱分析仪的输入电路，称此电平为毁坏电平，如图3-4所示。因此使用频谱分析仪之前，一定认真仔细阅读说明书，以保证频谱分析仪的射频输入信号电平小于或等于最大安全输入电平。

本地振荡器

图3-4 混频器的毁坏输入电平

例如Agilent 8560系列频谱分析仪的最大安全输入电平要求如下：

•平均连续波功率：+30dBm（1W，射频输入衰减大于或等于10dB）；

•峰值脉冲功率（脉宽<10μs，占空比<1%）：+50dBm（100W，射频输入衰减大于或等于30dB）；

•直流电压：<±0.2V（直流耦合）；<±50V（交流耦合，只适用于8560EC和8562EC）。

3.1.3低通滤波器或预选器

由图3-1可知，频谱分析仪的前端设计采用超外差方案，通过前端预选、谐波混频等技术，使频谱分析仪的频率范围达到预定设计要求。利用低通滤波器，在低频可以有效抑制镜频响应，阻止高频信号达到混频器；另外低通滤波器还阻止同本振混频产生的带外信号，以避免在中频产生不需要的响应。在微波频段，频谱分析仪采用预选器代替低通滤波器，预选器实质上就是一个调谐滤波器，调谐滤波器和本振在系统控制下同步调谐预选信号，对带外和镜像响应进行有效地的抑制。通俗地说：预选器除让我们观察测量的信号之外，其它所有频率均被预选器有效抑制。

3.1.4混频器

混频器把射频输入信号的频率混频成频谱分析仪能够滤波、放大和检波的频率范围。混频器除了接收RF输入信号之外，还接收频谱分析仪内部产生的本振信号。混频器是一个非线性器件，这意味着混频器的输出不仅包括输入信号频率和本振信号频率，还包含输入信号

频率和本振信号的和频与差频。

在理想情况下，混频器起乘法器的作用。假定混频器的输入信号为： ()()t f A t V sig sig π2cos = （3-1） 本振信号为：

()()t f t V LO LO π2cos = (3-2) 则混频器的输出信号为：

()()()t f t f A t V LO sig IF ππ2cos 2cos = （3-3） 将式(3-3)通过适当变换可得： ()()[]()[]

{}sig LO LO sig IF f f t f f t A

t V -++=ππ2cos 2cos 2

（3-4） 式中：

f si

g − 输入信号频率； f LO − 本振信号频率；

由式（3-4）可知，混频器的输出是本振信号和输入信号的和频与差频。图3-5所示，为混频器的输出信号频谱图。

图3-5 混频器的输出信号频谱

由图3-5可知，在混频器的输出信号中，除输入信号和本振信号外，还有本振信号和输

入信号的和频与差频，而超外差频谱分析仪工作最重要的是利用本振信号与输入信号的差频

混频器的

输出信号

f sig

f LO -f sig

f LO

f LO +f sig

f LO