频谱仪测量发射机带外杂散信号的分析

2010-09-26何新亮盛松林赵兴录

无线电工程 2010年11期

何新亮,盛松林,刘列,赵兴录

(1.国防科技大学光电科学与工程学院,湖南长沙410073;2.空军装备研究院防空所,北京100085)

0 引言

当发射机杂散信号超过规定值时会对其他用频设备产生干扰,因此杂散信号作为考核发射机电磁兼容性能的重要指标之一,其测量结果是否准确可信显得尤为重要。由于有的操作者对频谱仪的测量方法不当,得到的测量值与真实值相比,可能存在很大的误差,夸大了实际的杂散信号,用这样的数据去评价发射机的电磁兼容性能是不合理的。在此分析了用频谱仪测量发射机带外杂散信号测量结果不准确的原因,给出了解决方法,可保证测量结果的科学性和准确性。

1 带外杂散信号的概念和测量方法

带外杂散信号是指发射机输出的除去谐波和噪声的处于基波频带之外的无用射频信号,其特征是在离散频率上的窄频带内存在显著的分量信号。

在对发射机进行测试中,频谱分析仪是信号分析的主要仪器,是目前较为常用而且较为简便的方法,测量杂散信号的方框图如图1所示。

图1 杂散信号测量方框图

2 测试结果及分析

2.1 内部衰减器对杂散信号测量的影响

对某发射机的耦合输出信号进行了测试,衰减为50 dB到0 dB时的基波附近杂散频谱的测试结果如图2、图3、图4和图5所示。图2中基波信号最大值为7.24 dBm,参考电平设置为30 dBm,此时频谱仪的内部衰减器自动调整为50 dB,噪声电平为-34 dBm,未发现明显的带外杂散信号;在图3中,当把基波信号移出测量范围,将参考电平下降30 dB变成0 dBm,此时仪器内部衰减器自动调整为10 dB,发现了杂散信号,其中比较大的达到-65 dBm;图4中参考电平为0 dBm,内部衰减自动减小为5 dB,又检测到了2个杂散点;图5中内部衰减自动减小为0 dB,发现这些杂散信号的强度测量值又增大了10 dB左右。

图2 基波-衰减为50 dB

图3 衰减为10 dB

图4 衰减为5 dB

图5 衰减为0 dB

2.2 原因分析

从频谱仪工作原理入手来分析衰减器影响杂散信号的测量原因。频谱仪工作原理框图[1]如图6所示,射频输入信号与本振混频后,经中频滤波、检波,在显示器上显示其电平。其中混频器是典型的非线性器件。

图6 频谱仪工作原理

基波大信号输入频谱仪后,容易导致频谱仪过载饱和,将产生非线性效应,产生出许多和大信号频谱形状相似的其他杂散信号。这些杂散信号不是外部进入频谱仪的信号,因此称为虚假信号。虚假信号有一个典型特点,就是过载越严重,虚假信号幅度越大。杂散的频谱和大信号的频谱形状相似,但宽度为后者的P/Q倍,P和Q为整数。据相关资料介绍,进入混频器端口的功率电平不大于-30 dBm时,可保证使频谱仪工作在线性范围,即在此条件下,频谱仪本身产生的非线性失真对被测信号来说其影响可忽略不计[2]。

有的频谱仪前级具有预先放大器或衰减器。当信号在频谱仪的衰减器放在最大值和预先放大器放在最小值时已经接近频谱仪的饱和门限,则当减小衰减量或增加预放,同样会导致频谱仪后级过载饱和,出现非线性效应,产生很多带外杂散。

当频谱仪信号过大饱和以后,仪器会提示过载饱和。但如果改变扫描范围,将大信号移出当前仪器显示窗口,则不会提醒过载饱和。然而由于仪器是宽开的,当把大信号移出当前显示窗口,如果衰减减小或预放加大,仍然会出现饱和现象,在带外出现许多虚假的杂散信号。

因此,为了准确测量带外杂散小信号,应尽量避免输入信号过大饱和。如果采用增加外部衰减和内置衰减的方法来降低输入大信号的幅度,将直接影响频谱仪的测量灵敏度,会使幅度较低的杂散小信号淹没于噪声中而不可测,即出现了一个矛盾,一方面要降低基波大信号的幅度,一方面又不能使杂散小信号幅度降低使测试非常困难。在下面将给出解决这个矛盾的办法。

2.3 真实信号和虚假信号的辨别

如何区分杂散信号是从外面进来的真实信号,还是仪器自身饱和引起的虚假信号,有简单的方法:如果大信号在当前窗口内,则饱和会出现相应的提示。如果大信号在当前窗口外,则不会有提示,此时可以看信号频谱形状是否和大信号相似,如果相似就可能是虚假信号;同时,对衰减器或预先放大器进行调整,外面来的真实信号的幅度不会改变,但虚假信号的幅度就会发生较大的改变。

从衰减为50 dB的图2到衰减为0 dB的图5,带外出现了越来越大的虚假杂散,它们的带宽和基波一样。此外,可以看到还有一个尖的真实杂散信号,它的幅度保持不变,是一个外来的真实信号。

3 测量方法的改进

为了准确测试杂散小信号,应该在射频输入信号进入频谱仪之前采用带通滤波器滤除基波大信号,保证进入混频器端口的功率电平不大于-30 dBm,避免基波大信号使混频器产生饱和非线性效应,同时增大测量动态范围,保证对需要测量的杂散小信号无损耗。据调研,福州博讯通电子有限公司研发的可调式带通滤波器具有较好的性能。其插入损耗约为1.1 dB±0.2 dB,带外抑制可达50 dB以上且较平坦,能够有效地抑制基波,对需要测量的杂散信号几乎无损耗,可满足测量要求[3]。

需要指出的是,带阻滤波器和高通滤波器虽然也可以有效滤除基波信号,但由于带阻滤波器的带外特性曲线和高通滤波器的特性曲线都不够平坦,通常波动可达3 dB甚至更多,且高通滤波器无法对低端信号进行测量,因此它们都不适合用来滤除基波信号。

使用频谱仪测量时,要保证测量的准确性还取决于所设置的频谱仪带宽(RBW和VBW)和扫描时间。有关带宽和扫描时间的设置与频谱仪用于其他测量时基本相同,不再赘述。