频谱分析仪中频带宽的设计

频谱分析仪中频带宽的设计作者：何高楼、陈爽单位：中国电子科技集团公司第四十一研究所、电子测试技术国家重点实验室转载：国外电子测量技术发布时间：2008-01-15引言大多数接收机的中频频率是固定的，并在此频率上设计带通滤波器来抑制干扰、提高接收灵敏度。在某些宽带接收机中，中频的带宽需要根据实际应用情况进行调节，如多速率的宽带通信系统等，带宽必须和码元速率相匹配，过大或过小都会对接收机的性能产生很大的影响。频谱分析仪也不例外，只不过要求更高，中频带宽滤波器的设计直接关系到整机动态范围、频率分辩率、解调带宽以及功率测量准确度等关键技术指标。1设计原理在某些特定的情况下，采用开关切换的方法是一种简洁而且适用的方法，但这只适用于带宽变化不多的场合下，比如4-5个以下。随着带宽数量的增加，这种方法就不再适用，其带来的最直接结果是电路变得异常庞大和复杂。图1同步调谐滤波器频谱分析仪需要的中频带宽可能从几赫兹到几兆赫兹连续变化[2]。对于这些需求，采用程控带宽滤波器是比较简洁而且经济的方法。对于程控带宽滤波器来说，同步调谐滤波器是一种比较理想的解决方法。如图1所示：它由多级中心频率和Q值相等的谐振回路组成。各级之间通过FET高阻放大器缓冲隔离。单级的带宽由下式给出[1]：通过改变串联电阻Rs可以降低整个谐振回路的Q值，从而改变带宽，它通常由PIN二极管构成。这种电路结构有许多优点：调节方便；容许各级间的轻微不平衡；具有良好的脉冲响应特性；群时延变化较小；另外，这种拓扑结构的总Q值大于单级的Q值。级联后的总带宽可用级联公式计算如下[1]：式中，n为谐振回路的级数，为n级谐振后的电路总带宽，为单级谐振回路的带宽；如果采用4级级联谐振回路，通过式(2)可以算出单级带宽为总带宽的2.3倍。图2程控中频带宽滤波器实现原理框图分辨率带宽反映了频谱仪的不同档次，经济型为1kHz～3MHz；中档型约为30Hz～3MHz；高档为1Hz～3MHz。图2是高性能频谱分析仪的中频带宽实现原理框图，中频信号输入后首先经过补偿放大器，该放大器增益随不同的滤波通道变化，以为补偿通道增益误差，之后信号分成两路分别处理，第一路经LC调谐滤波器完成分辨率带宽100k～3MHz，第二路经晶体调谐滤波器完成300Hz～30kHz分辨率带宽，晶体和LC滤波器的带宽控制由D/A变换器提供。下面分别介绍各单元的设计内容。1.1补偿放大器补偿放大器可以补偿因谐振回路的Q值变化引起的电路损耗，另外，它还是一个高阻放大器，以实现输入电路同校准放大器的隔离。在选择不同的通道时，该放大器的直流偏置会相应的产生变化。图3a是LC滤波方式下的等效原理图，图3b是晶体滤波方式下的等效原理图。在LC滤波方式下，补偿放大器的增益为：在晶体滤波方式下，补偿放大器的增益为：这里，RT与晶体谐振回路的Q值成正比，从而起到补偿作用。aLC滤波器下等效原理图b晶体滤波器下等效原理图图3补偿放大器等效原理图1.2LC滤波器LC滤波器是应用最广的滤波器，它的理论完整，也是设计其他类型滤波器的基础。由于频谱分析仪中频信号的频率不高，一般为10.7MHz或21.4MHz，在此频率上，电路的分布参数对整体性能影响不大，可以设计出性能稳定、成本低的带通滤波器。但设计中需要考虑滤波器的温漂、精密的带宽控制和增益控制。图4LC滤波器电路模型图4给出了LC带宽滤波及补偿电路的模型。为了具有可变的带宽，在信号通道上加入补偿网络并附加PIN二极管RS来控制带宽。由于LC带宽网络自身固有带外抑制非对称性，所以加入补偿网络。补偿网络由LC并联谐振网络组成，谐振在中频频率点上。PIN二极管作为可变电阻与补偿网络并联，通过调节Rs来减小每一级的有载Q值，达到增大带宽的要求。此处PIN二极管与晶体滤波器中的要求一致，作用相同。谐振回路由LC并联网络组成，为了保证滤波电路有好的温度特性，采用负温度系数的电容补偿电感的温漂；使用线绕电感来提高谐振网络的Q值，能够实现较小的滤波带宽。1.3晶体滤波器晶体谐振器具有非常高的Q值，晶体谐振器作为高频窄带滤波器是其主要应用之一。晶体滤波器的特点是中心频率很稳定，带宽很窄，阻带内有陡峭的衰减特性图5晶体谐振器等效电路图晶体谐振器有串联谐振频率和并联谐振频率，而且两频率相差很小。在串联谐振频率点晶体呈现最小的阻抗特性。图5是晶体谐振器的串联等效电路模型。一般来说，晶体谐振器的等效电感量L很大，等效电容Cm很小，Rs为其等效串联内阻，C0为寄生电容。晶体滤波电路的模型如图6所示。电路中利用串联谐振的晶体谐振器作为滤波器通路；经过补偿网络的信号与三极管射极的信号电流大小相等、相位相反，这样可以抵消晶体中由于寄生电容CO引起的另一谐振峰。由电感L1和电容C1构成的谐振网络，调谐在滤波器的中心频率上，此回路可有效地消除由于晶体产生的寄生峰（即寄生通带）；在谐振回路中选用负温度系数的补偿电容，以补偿电路的温度漂移。为了具有可变的带宽，通过串接电阻到地改变每一级的Q值，调节RD可以改变整个谐振回路的带宽，RD由PIN二极管构成。图6晶体滤波器电路模型2实验结果按上述模型设计了一个带宽从300Hz~3MHz连续变化的中频带通滤波器。图7a是程控LC滤波器为300kHz带宽的实验结果，实测是300.462kHz；图7b是程控晶体滤波器为300Hz带宽的实验结果，实测为305Hz。全带宽内控制准确度优于±25％。图7实验结果图3结论实验结果表明，本文所介绍的设计思路和方法是可靠的而且可行的，可以通过D/A变换器精细调节频谱分析仪中频滤波器带宽，满足高性能频谱分析仪中频带宽的设计要求。成本不高，性能指标较好，便于生产和调试，目前已经应用在一些高性能频谱分析仪模拟中频处理单元中，并可灵活应用到其它类接收机。参考文献：[1]RobertJ.Armantrout.AnIFModuleforWide-BandwidthSignals.October1995Hewlett-PackardJournal[2]WITTERA.频谱和网络测量[M].李景威，张伦，译.北京：科学技术文献出版社，1997.[3]郭诠水,刘祖深,高小玲.数字通信测量仪器[M].北京:人民邮电出版社,2007.[4]AV4032微波频谱分析仪用户手册[Z].2002.[5]AV4033高性能频谱分析仪用户手册[Z].2002.[6]AV4942A卫星通信综合测试仪用户手册[Z].2007.薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁