曹聯(lián)國(guó)，鐘景華

(南京國(guó)睿安泰信科技股份有限公司， 江蘇 南京 210013)

頻譜分析儀射頻電路設(shè)計(jì)*

曹聯(lián)國(guó)，鐘景華

(南京國(guó)睿安泰信科技股份有限公司， 江蘇 南京 210013)

頻譜分析儀射頻電路的實(shí)現(xiàn)方式較多，復(fù)雜程度各異，達(dá)到的指標(biāo)也不盡相同。文中所述的射頻電路實(shí)現(xiàn)方式與仿真結(jié)果一致，達(dá)到了較高的技術(shù)指標(biāo)，具有可生產(chǎn)性好、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。文中對(duì)射頻前端調(diào)理、寬帶第一本振(LO)、第一高中頻(IF)、跟蹤信號(hào)源等重點(diǎn)電路的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)論述。

射頻前端；本振；高頻鑒相；高中頻；跟蹤信號(hào)源

引 言

現(xiàn)今的射頻頻譜分析儀的主要工作流程是采取超外差技術(shù)，把射頻信號(hào)通過(guò)多級(jí)混頻的方式轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ǖ哪M中頻信號(hào)，然后采用數(shù)字中頻技術(shù)[1]，由ADC(數(shù)模轉(zhuǎn)換)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后通過(guò)FPGA、DSP或?qū)Ｓ眯盘?hào)處理芯片進(jìn)行運(yùn)算分析，得出的幅度、頻率等信息顯示在屏幕上。

在對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行下變頻處理前，需要對(duì)信號(hào)的頻段進(jìn)行限制(即濾波)，對(duì)幅度進(jìn)行調(diào)理(即衰減或放大)。為了保證混頻器具有良好的線(xiàn)性，射頻輸入信號(hào)的幅度需調(diào)整到-20 dBm以下。微小信號(hào)可以先放大以提高信噪比，然后分別與幾級(jí)本振信號(hào)混頻，得到一個(gè)固定頻率的模擬中頻信號(hào)，頻率通常為十幾兆至幾十兆，幅度約0 dBm，以滿(mǎn)足ADC采樣以及后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理的要求。實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)下變頻一般有2種方法：

1)采用2個(gè)第一中頻來(lái)實(shí)現(xiàn)下變頻。射頻低波段采用高中頻的方案，高波段采用往下混頻至低中頻的方式。這種方式的第一本振起始頻率低，覆蓋范圍也不需要達(dá)到射頻輸入帶寬。但其缺點(diǎn)是當(dāng)工作于高波段時(shí)，需要使用多個(gè)帶通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的全頻段切換，控制及校準(zhǔn)均比較復(fù)雜，并影響整機(jī)掃描時(shí)間。

2)全高中頻的實(shí)現(xiàn)方式。第一中頻的選擇高于射頻輸入信號(hào)頻率的上限，因此第一本振的起始頻率為第一中頻，頻寬范圍為射頻信號(hào)頻率上限。第一本振頻率較高，其開(kāi)環(huán)相位噪聲不可能做得很好，而第一本振的相位噪聲直接決定了頻譜儀的相位噪聲指標(biāo)，如果使用寬帶本振，受本振相位噪聲的限制，整機(jī)相位噪聲很難達(dá)到要求。通常的解決辦法是把寬帶本振分解為幾個(gè)窄帶本振，每個(gè)窄帶本振的相位噪聲可以做到優(yōu)于單個(gè)寬帶本振，但是這種方式的缺點(diǎn)是幾個(gè)窄帶本振的切換控制電路復(fù)雜，同時(shí)也影響掃描速度。

綜合考慮，本文所述的3 GHz頻譜分析儀采用高中頻、寬帶本振3次變頻方案[2]。第一本振采用寬帶高頻鑒相鎖相技術(shù)，很好地解決了第一本振相位噪聲對(duì)整機(jī)的影響。整機(jī)相位噪聲達(dá)到了- 95 dBc/Hz @ 10 kHz，加前置放大器后平均噪聲電平可達(dá)-160 dBm。圖1是整機(jī)射頻部分原理框圖。

圖1 整機(jī)射頻部分原理框圖

1 射頻前端設(shè)計(jì)

射頻前端調(diào)理電路如圖2所示。射頻輸入信號(hào)需要先通過(guò)保護(hù)電路，防止大功率信號(hào)、靜電等對(duì)設(shè)備造成損害。一個(gè)單刀雙擲(SPDT)開(kāi)關(guān)用于切換射頻輸入和校準(zhǔn)信號(hào)(50 MHz，-20 dBm穩(wěn)幅信號(hào)，用于對(duì)通道增益進(jìn)行校準(zhǔn))。20 dB衰減器(ATT)用于衰減較大的輸入信號(hào)，對(duì)于小信號(hào)可以由開(kāi)關(guān)切換為直通。20 dB前置低噪聲放大器(LNA)用于放大較小的輸入信號(hào)，對(duì)于大信號(hào)可以由開(kāi)關(guān)切換為直通。31 dB數(shù)控電子衰減器以1 dB步進(jìn)(step)，用于精細(xì)調(diào)整射頻輸入信號(hào)的幅度，以滿(mǎn)足第一混頻器對(duì)輸入信號(hào)的要求；通常混頻器輸入信號(hào)幅度≤-20 dBm，信號(hào)過(guò)大會(huì)產(chǎn)生失真，過(guò)小會(huì)使信噪比變差。信號(hào)在進(jìn)入混頻器之前需通過(guò)由微帶線(xiàn)構(gòu)成的低通濾波器(LPF)，以抑制3 GHz以上信號(hào)產(chǎn)生的假響應(yīng)。

圖2 射頻前端調(diào)理電路原理框圖

3 GHz低通濾波器的印制板如圖3所示。其優(yōu)點(diǎn)是不增加額外的成本，一致性好，無(wú)需調(diào)整。它包含7階Chebyshev低通濾波器和7階Elliptic低通濾波器[3]。

圖3 3 GHz低通濾波器印制板

2 第一本振設(shè)計(jì)

第一混頻器將射頻輸入信號(hào)(混頻器輸入端口≤-20 dBm)與第一本振(本振輸入≥+13 dBm)混頻，得到一個(gè)高中頻信號(hào)。如圖4所示，第一本振采用4～7 GHz的寬帶VCO，鎖相環(huán)采用高頻鑒相、逐點(diǎn)鎖相掃描技術(shù)。鎖相環(huán)的參考頻率輸入為100 MHz，內(nèi)部二分頻后得到50 MHz鑒相頻率，環(huán)路濾波器采用有源LC低通濾波器，環(huán)路帶寬200 kHz。舉例說(shuō)明，對(duì)于一個(gè)25 bit小數(shù)分頻合成器，VCO的鎖相輸出頻率由式(1)確定。

fvco=50×(Nint+Nfrac/225)

(1)

式中：fvco為VCO鎖定頻率，單位MHz(鑒相頻率已設(shè)定為50MHz)；Nint為整數(shù)分頻比，本例中取值范圍80～140；Nfrac為小數(shù)分頻比，本例中取值范圍0～225。由式(1)可以計(jì)算出第一本振最小頻率步進(jìn)約1.5 Hz，已足夠滿(mǎn)足頻譜分析儀的需求。

圖4 第一本振原理框圖

圖4中，本振耦合器采用微帶線(xiàn)實(shí)現(xiàn)，耦合度約15 dB。耦合端輸出信號(hào)用于輸入到鎖相環(huán)進(jìn)行鑒相，耦合通道是為了增加頻率參考信號(hào)與本振信號(hào)的隔離度，減少鑒相頻率對(duì)本振的調(diào)制。環(huán)路帶寬取200 kHz，帶寬變大時(shí)帶內(nèi)噪聲的轉(zhuǎn)折頻率變大，鎖定時(shí)間變小，鎖相環(huán)系統(tǒng)可以以更快的速度響應(yīng)，這意味著鎖相環(huán)可以更快地從擾動(dòng)中恢復(fù)穩(wěn)定，對(duì)寬帶噪聲更加敏感。所以環(huán)路帶寬變大時(shí)頻譜圖上可以觀察到近端噪聲變小和遠(yuǎn)端噪聲變大。相位裕度設(shè)為45°，當(dāng)相位裕度變大時(shí)，鎖相環(huán)穩(wěn)定性增加，但鎖定時(shí)間變長(zhǎng)。

從圖5的仿真結(jié)果可以看出，第一本振的相位噪聲已達(dá)-100 dBc/Hz(偏離中心頻率10 kHz)，與實(shí)測(cè)值基本吻合。

圖5 第一本振相位噪聲仿真圖

3 第一中頻設(shè)計(jì)

第一本振頻率(fLO1)按式(2)選取：

fLO1=fIF1+fRF

(2)

第一中頻頻率(fIF1)按式(3)選?。?/p>

fIF1=fLO2+fLO3+fIF3

(3)

式中：fRF為射頻輸入信號(hào)頻率；fLO2為第二本振頻率；fLO3為第三本振頻率；fIF3為第三中頻頻率。

對(duì)于3 GHz頻譜分析儀，第一中頻通常選擇4 GHz左右的高中頻。其濾波器設(shè)計(jì)也采用微帶線(xiàn)形式，由9階交指Chebyshev帶通濾波器和11階Elliptic低通濾波器組成，仿真圖見(jiàn)圖6。從仿真結(jié)果看，帶內(nèi)插損約3.8 dB，5 GHz以上帶外抑制優(yōu)于85 dB。印制板如圖7所示，帶外抑制實(shí)測(cè)值由于受空間隔離度的影響，5 GHz以上的衰減與仿真結(jié)果相比略有偏差，但足以滿(mǎn)足實(shí)際需要。其他頻點(diǎn)與仿真結(jié)果基本吻合。

圖6 第一中頻帶通濾波器仿真圖

圖7 第一中頻帶通濾波器印制板

4 其他射頻電路設(shè)計(jì)方法

第二混頻器將第一中頻信號(hào)(混頻器輸入端口≤-20 dBm)與第二本振混頻，得到第二中頻信號(hào)。第二本振使用窄帶點(diǎn)頻VCO，頻率為fIF1-fIF2，通常選為3.3～3.6GHz，相位噪聲可以做得很好(通常在-105 dBc/Hz @ 10 kHz以下)，對(duì)整機(jī)相位噪聲影響不大。

第二中頻濾波器采用聲表濾波器(SAW)，其特點(diǎn)是過(guò)度帶窄，帶外抑制大，一致性好，免調(diào)試，利于規(guī)?；a(chǎn)。

第三混頻器將第二中頻信號(hào)(混頻器輸入端口≤- 20 dBm)與第三本振混頻，得到第三中頻信號(hào)，第三中頻頻率通常可以選擇10.7MHz，方便選用已有的成品濾波器。第三本振使用窄帶點(diǎn)頻VCO，頻率為fIF2-fIF3，通常選為300～800 MHz，選用整數(shù)分頻鎖相環(huán)，相位噪聲可以做得非常好。

第三中頻濾波器帶寬可以切換，以保證數(shù)字中頻電路既具有較寬的分析帶寬，窄帶時(shí)又可以降低噪聲功率。在射頻前端調(diào)理電路不加放大和衰減時(shí)，從射頻輸入到第三中頻輸出的整個(gè)通道的增益為20 dB。

某些頻譜分析儀帶有跟蹤信號(hào)源，其輸出頻率與頻譜儀掃描分析頻率相同，方便用戶(hù)進(jìn)行傳輸和反射測(cè)量。跟蹤信號(hào)源電路原理如圖8所示，跟蹤信號(hào)源(TGout)采用一個(gè)點(diǎn)頻源與第一本振混頻的方式獲得，點(diǎn)頻源頻率與第一中頻相同。跟蹤信號(hào)源輸出信號(hào)電平可以由數(shù)控電子衰減器調(diào)節(jié)。

圖8 跟蹤信號(hào)源電路原理框圖

整機(jī)的頻率參考由100 MHz恒溫晶振產(chǎn)生。該恒溫晶振可以鎖定在外部10 MHz參考頻率上，使其與外部設(shè)備具有恒定的相位差。

本文的設(shè)計(jì)已被用于某型號(hào)頻譜分析儀，且已批量生產(chǎn)。整機(jī)的相位噪聲為- 95～- 98 dBc/Hz @ 10 kHz，平均噪聲電平約 - 160 dBm，且一致性較好。

[1] 楊小牛, 樓才義, 徐建良. 軟件無(wú)線(xiàn)電原理與應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2001.

[2] Agilent spectrum analysis basics application note 150[EB/OL]. 2010. http://www.agilent.com.

[3] Ansoft. Ansoft濾波器解決方案[EB/OL]. http://www.ansoft.com.cn.

曹聯(lián)國(guó)(1962-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)樯漕l電路、信號(hào)處理等。

鐘景華(1964-)，男，研究員高工，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

Design of RF Circuits of Spectrum Analyzer

CAO Lian-guo，ZHONG Jing-hua

(NanjingGlarun-AttenTechnologyCo.Ltd.，Nanjing210013,China)

There are several methods to design the RF circuits of spectrum analyzer. These methods have different complexity and different obtained performance. The method described in this article agrees with the simulation results and achieves good performance. Using this method, products can be easily manufactured with high performance to cost ratio. In this article, the design methods of main circuits such as RF front regulation, wide band first local oscillator(LO), first high intermediate frequency(IF) and tracking generator are discussed in detail.

RF front; local oscillator; high-frequency phase detect; high intermediate frequency; tracking generator

2013-01-15

TM935.21

A

1008-5300(2013)02-0049-03