频谱分析仪射频电路设计*

曹联国，钟景华

(南京国睿安泰信科技股份有限公司， 江苏 南京 210013)

频谱分析仪射频电路设计*

曹联国，钟景华

(南京国睿安泰信科技股份有限公司， 江苏 南京 210013)

频谱分析仪射频电路的实现方式较多，复杂程度各异，达到的指标也不尽相同。文中所述的射频电路实现方式与仿真结果一致，达到了较高的技术指标，具有可生产性好、性价比高等特点。文中对射频前端调理、宽带第一本振(LO)、第一高中频(IF)、跟踪信号源等重点电路的设计方法进行了详细论述。

射频前端；本振；高频鉴相；高中频；跟踪信号源

引 言

现今的射频频谱分析仪的主要工作流程是采取超外差技术，把射频信号通过多级混频的方式转变为固定的模拟中频信号，然后采用数字中频技术[1]，由ADC(数模转换)转换为数字信号后通过FPGA、DSP或专用信号处理芯片进行运算分析，得出的幅度、频率等信息显示在屏幕上。

在对射频信号进行下变频处理前，需要对信号的频段进行限制(即滤波)，对幅度进行调理(即衰减或放大)。为了保证混频器具有良好的线性，射频输入信号的幅度需调整到-20 dBm以下。微小信号可以先放大以提高信噪比，然后分别与几级本振信号混频，得到一个固定频率的模拟中频信号，频率通常为十几兆至几十兆，幅度约0 dBm，以满足ADC采样以及后续数字信号处理的要求。实现射频信号下变频一般有2种方法：

1)采用2个第一中频来实现下变频。射频低波段采用高中频的方案，高波段采用往下混频至低中频的方式。这种方式的第一本振起始频率低，覆盖范围也不需要达到射频输入带宽。但其缺点是当工作于高波段时，需要使用多个带通滤波器来实现射频信号的全频段切换，控制及校准均比较复杂，并影响整机扫描时间。

2)全高中频的实现方式。第一中频的选择高于射频输入信号频率的上限，因此第一本振的起始频率为第一中频，频宽范围为射频信号频率上限。第一本振频率较高，其开环相位噪声不可能做得很好，而第一本振的相位噪声直接决定了频谱仪的相位噪声指标，如果使用宽带本振，受本振相位噪声的限制，整机相位噪声很难达到要求。通常的解决办法是把宽带本振分解为几个窄带本振，每个窄带本振的相位噪声可以做到优于单个宽带本振，但是这种方式的缺点是几个窄带本振的切换控制电路复杂，同时也影响扫描速度。

综合考虑，本文所述的3 GHz频谱分析仪采用高中频、宽带本振3次变频方案[2]。第一本振采用宽带高频鉴相锁相技术，很好地解决了第一本振相位噪声对整机的影响。整机相位噪声达到了- 95 dBc/Hz @ 10 kHz，加前置放大器后平均噪声电平可达-160 dBm。图1是整机射频部分原理框图。

图1 整机射频部分原理框图

1 射频前端设计

射频前端调理电路如图2所示。射频输入信号需要先通过保护电路，防止大功率信号、静电等对设备造成损害。一个单刀双掷(SPDT)开关用于切换射频输入和校准信号(50 MHz，-20 dBm稳幅信号，用于对通道增益进行校准)。20 dB衰减器(ATT)用于衰减较大的输入信号，对于小信号可以由开关切换为直通。20 dB前置低噪声放大器(LNA)用于放大较小的输入信号，对于大信号可以由开关切换为直通。31 dB数控电子衰减器以1 dB步进(step)，用于精细调整射频输入信号的幅度，以满足第一混频器对输入信号的要求；通常混频器输入信号幅度≤-20 dBm，信号过大会产生失真，过小会使信噪比变差。信号在进入混频器之前需通过由微带线构成的低通滤波器(LPF)，以抑制3 GHz以上信号产生的假响应。

图2 射频前端调理电路原理框图

3 GHz低通滤波器的印制板如图3所示。其优点是不增加额外的成本，一致性好，无需调整。它包含7阶Chebyshev低通滤波器和7阶Elliptic低通滤波器[3]。

图3 3 GHz低通滤波器印制板

2 第一本振设计

第一混频器将射频输入信号(混频器输入端口≤-20 dBm)与第一本振(本振输入≥+13 dBm)混频，得到一个高中频信号。如图4所示，第一本振采用4～7 GHz的宽带VCO，锁相环采用高频鉴相、逐点锁相扫描技术。锁相环的参考频率输入为100 MHz，内部二分频后得到50 MHz鉴相频率，环路滤波器采用有源LC低通滤波器，环路带宽200 kHz。举例说明，对于一个25 bit小数分频合成器，VCO的锁相输出频率由式(1)确定。

fvco=50×(Nint+Nfrac/225)

(1)

式中：fvco为VCO锁定频率，单位MHz(鉴相频率已设定为50MHz)；Nint为整数分频比，本例中取值范围80～140；Nfrac为小数分频比，本例中取值范围0～225。由式(1)可以计算出第一本振最小频率步进约1.5 Hz，已足够满足频谱分析仪的需求。

图4 第一本振原理框图

图4中，本振耦合器采用微带线实现，耦合度约15 dB。耦合端输出信号用于输入到锁相环进行鉴相，耦合通道是为了增加频率参考信号与本振信号的隔离度，减少鉴相频率对本振的调制。环路带宽取200 kHz，带宽变大时带内噪声的转折频率变大，锁定时间变小，锁相环系统可以以更快的速度响应，这意味着锁相环可以更快地从扰动中恢复稳定，对宽带噪声更加敏感。所以环路带宽变大时频谱图上可以观察到近端噪声变小和远端噪声变大。相位裕度设为45°，当相位裕度变大时，锁相环稳定性增加，但锁定时间变长。

从图5的仿真结果可以看出，第一本振的相位噪声已达-100 dBc/Hz(偏离中心频率10 kHz)，与实测值基本吻合。

图5 第一本振相位噪声仿真图

3 第一中频设计

第一本振频率(fLO1)按式(2)选取：

fLO1=fIF1+fRF

(2)

第一中频频率(fIF1)按式(3)选取：

fIF1=fLO2+fLO3+fIF3

(3)

式中：fRF为射频输入信号频率；fLO2为第二本振频率；fLO3为第三本振频率；fIF3为第三中频频率。

对于3 GHz频谱分析仪，第一中频通常选择4 GHz左右的高中频。其滤波器设计也采用微带线形式，由9阶交指Chebyshev带通滤波器和11阶Elliptic低通滤波器组成，仿真图见图6。从仿真结果看，带内插损约3.8 dB，5 GHz以上带外抑制优于85 dB。印制板如图7所示，带外抑制实测值由于受空间隔离度的影响，5 GHz以上的衰减与仿真结果相比略有偏差，但足以满足实际需要。其他频点与仿真结果基本吻合。

图6 第一中频带通滤波器仿真图

图7 第一中频带通滤波器印制板

4 其他射频电路设计方法

第二混频器将第一中频信号(混频器输入端口≤-20 dBm)与第二本振混频，得到第二中频信号。第二本振使用窄带点频VCO，频率为fIF1-fIF2，通常选为3.3～3.6GHz，相位噪声可以做得很好(通常在-105 dBc/Hz @ 10 kHz以下)，对整机相位噪声影响不大。

第二中频滤波器采用声表滤波器(SAW)，其特点是过度带窄，带外抑制大，一致性好，免调试，利于规模化生产。

第三混频器将第二中频信号(混频器输入端口≤- 20 dBm)与第三本振混频，得到第三中频信号，第三中频频率通常可以选择10.7MHz，方便选用已有的成品滤波器。第三本振使用窄带点频VCO，频率为fIF2-fIF3，通常选为300～800 MHz，选用整数分频锁相环，相位噪声可以做得非常好。

第三中频滤波器带宽可以切换，以保证数字中频电路既具有较宽的分析带宽，窄带时又可以降低噪声功率。在射频前端调理电路不加放大和衰减时，从射频输入到第三中频输出的整个通道的增益为20 dB。

某些频谱分析仪带有跟踪信号源，其输出频率与频谱仪扫描分析频率相同，方便用户进行传输和反射测量。跟踪信号源电路原理如图8所示，跟踪信号源(TGout)采用一个点频源与第一本振混频的方式获得，点频源频率与第一中频相同。跟踪信号源输出信号电平可以由数控电子衰减器调节。

图8 跟踪信号源电路原理框图

整机的频率参考由100 MHz恒温晶振产生。该恒温晶振可以锁定在外部10 MHz参考频率上，使其与外部设备具有恒定的相位差。

本文的设计已被用于某型号频谱分析仪，且已批量生产。整机的相位噪声为- 95～- 98 dBc/Hz @ 10 kHz，平均噪声电平约 - 160 dBm，且一致性较好。

[1] 杨小牛, 楼才义, 徐建良. 软件无线电原理与应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2001.

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

[3] Ansoft. Ansoft滤波器解决方案[EB/OL]. http://www.ansoft.com.cn.

曹联国(1962-)，男，工程师，主要研究方向为射频电路、信号处理等。

钟景华(1964-)，男，研究员高工，主要研究方向为自动测试系统。

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