引 言

頻譜分析儀有“微波工程師的萬用表”之稱，能對信號的鑿波分量、寄生、交調(diào)、噪聲邊帶等進(jìn)行很直觀的測量和分析，是微波測量中必不可少的測量儀器之一。長期以來，由于傳統(tǒng)臺式頻譜儀價(jià)格昂貴，且國內(nèi)對微波的應(yīng)用主要集中在雷達(dá)、電子對抗、空間技術(shù)、衛(wèi)星地面站、EMC測試等領(lǐng)域，造成頻譜儀的普及率不高。近年來，隨著通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是3G時(shí)代的到來，越來越多的野外作業(yè)需要頻譜儀的支持，在這種形勢下，傳統(tǒng)頻譜儀龐大的身軀、昂貴的價(jià)格日益制約著其應(yīng)用的擴(kuò)展，國外各儀器廠家安捷倫、R&S、安立等紛紛推出自己的便捷式頻譜儀產(chǎn)品，但在國內(nèi)便捷式頻譜儀產(chǎn)品還十分罕見。手持式頻譜儀最初的設(shè)計(jì)構(gòu)想正是基于上述需求形勢提出來的。

1 全模擬頻譜儀方案簡介

現(xiàn)代寬頻頻譜儀大都采用掃頻超外差式接收方案，全模擬超外差式頻譜分析儀簡化原理框圖如圖1所示。

圖1所示的頻譜儀采用掃頻方式工作：中頻濾波器組由多個(gè)中心頻率相同、帶寬不同的濾波器組成，通過不斷改變掃頻本振信號的頻率，混頻器就可以使不同頻率的輸入信號依次落到中頻濾波器通帶范圍內(nèi)，從而完成對整個(gè)頻段信號的頻譜分析。

2 一種手持式頻譜儀的方案設(shè)計(jì)

2．1 全模擬頻譜儀方案的啟示

全模擬方式頻譜儀方案很好地詮釋了頻譜儀的基本組成，如圖2所示。

（1）由掃頻本振和混頻器構(gòu)成的超外差接收組件，將寬帶輸入信號轉(zhuǎn)換為中頻窄帶信號，便于后續(xù)電路的進(jìn)一步分析處理。

（2）中頻濾波器組由一系列帶通（或低通濾波器）組成，不同的濾波器帶寬決定了不同的頻率分辨率，用于實(shí)現(xiàn)頻譜儀的分辨率帶寬，是頻譜分析儀必不可少的核心部件之一。

（3）檢波器用于檢測分辨器帶寬內(nèi)的信號能量，是頻譜分析儀必不可少的核心部件之一。

（4）視頻濾波器由一系列低通濾波器組成，用于濾除檢波后的頻譜信息的高頻分量，可以改善頻譜顯示的視覺效果，是頻譜儀的重要組件之一。

（5）頻譜顯示器件是頻譜儀顯示頻譜分析結(jié)果的平臺，是頻譜分析儀不可或缺的重要功能組件。

2．2 一種手持式頻譜儀的方案設(shè)計(jì)

手持式頻譜儀設(shè)計(jì)首先需要解決的是體積問題，解決該問題的根本途徑是：功能組件盡量數(shù)字化。

手持式頻譜分析儀頻率范圍250 kHz～2．7 GHz，在圖2所示的頻潛儀核心組成框圖中，受A／D采樣器和采樣帶寬的限制，超外差接收組件仍需采用模擬（微波）電路設(shè)計(jì)。

超外差接收后的信號是中頻信號已經(jīng)是窄帶信號（帶寬小于20 MHz），通過合理選擇該信號的中心頻率和帶寬，以目前的器件水平，完全可以進(jìn)行A／D采樣。在手持式頻譜儀設(shè)計(jì)中，中頻信號中心頻率選擇為21．4 MHz，帶寬選擇3 MHz。

這樣分辨率帶寬濾波、視頻濾波等均可采用數(shù)字信號處理實(shí)現(xiàn)，由于手持式頻譜儀具有11檔分辨率帶寬、10檔視頻帶寬，采用模擬方式實(shí)現(xiàn)需要設(shè)計(jì)21個(gè)濾波器（其中部分濾波器的設(shè)計(jì)十分困難），采用數(shù)字信號處理后，只需要一片FPGA芯片即可，極大地節(jié)省了體積。一種手持式頻譜儀的設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

下面分別介紹核心部什——超外差接收組件的設(shè)計(jì)。

2．3 超外差接收組件設(shè)計(jì)

超外差接收組件是手持式頻譜儀的核心組件，其性能直接決定了頻譜儀的相噪、雜散、本底噪聲等性能指標(biāo)，超外差接收組件的組成框圖如圖4所示。

組件采用三級混頻方式實(shí)現(xiàn)，第一中頻4 021．4 MHz，第二中頻821．4 MHz，第三中頻21．4MHz，這樣選擇的目的是第三混頻需要的800 MHz本振可以由第二混頻需要的3．2 GHz本振4分頻產(chǎn)生，從而減少了本振數(shù)量，降低了體積。

輸入衰減器是一個(gè)0～60 dB、步進(jìn)10 dB的大功率射頻衰減器用于實(shí)現(xiàn)手持式頻譜儀的測量范圍（-120～+30 dBm）。

3 主要性能指標(biāo)

目前上述方案設(shè)計(jì)的手持式頻譜儀原理樣機(jī)已研制成功，在總參某項(xiàng)目中獲得應(yīng)用，核心部分體積只有190 mm×100 mm×60 mm，功耗約12 W，其主要性能指標(biāo)如下：

（1）頻率范圍：250 kHz～2．7 GHz；

（2）分辨率帶寬：30 Hz～1 MHz（1，3步進(jìn)）；

（3）視頻帶寬：10 Hz～1 MHz（1，3步進(jìn)）；

（4）掃寬設(shè)置：零掃寬，100 Hz～2．7 GHz；

（5）平均顯示噪聲電平（DANL，RBW：30 Hz，VBW：10 Hz下）；

250 kHz～1 MHz：《-100 dBm，1 MHz～2．7 GHz：《-120 dBm；

（6）測量范圍：DANL～+30dBm；

（7）單邊帶相位噪聲：-80 dBc／Hz@20 kHz，1 GHz

（8）輸入駐波比：《1．5：1。

4 結(jié)束語

由以上介紹可見，該手持式頻譜儀體積小、功耗低，達(dá)到了較高的技術(shù)性能，可滿足一般微波測量的需求，有望在微波通信網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)、電子對抗、空間技術(shù)、衛(wèi)星地面站、EMC測試等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

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