一种信号分析仪剩余响应的抑制方法研究

中国电子科技集团公司第四十一研究所　张明岳　杜会文　杜依涛



一种信号分析仪剩余响应的抑制方法研究

中国电子科技集团公司第四十一研究所张明岳杜会文杜依涛

【摘要】信号分析仪作为一种被广泛应用的测量分析仪器，对其性能指标的要求越来越高。剩余响应是影响信号分析仪性能的一个重要指标。通过其产生原理机制的分析，针对现实状况，一方面从电路设计方面提出改进设计方案，另一方面从结构工艺方面提出改进方案。从而有效地抑制剩余响应，提高信号分析仪的性能。

【关键词】信号分析仪；剩余响应；抑制；混频

0　引言

信号分析仪是一种常用的分析仪器，被广泛应用于航空、航天、通信、雷达等众多领域。随着科技的进步，现代信号分析仪在单一频谱分析功能的基础上，还提供了IQ分析、多域分析、相位噪声测试等丰富的测试功能。其基本原理主要是采用超外差结构。“外差”是指混频，将输入信号变频到设定的中频；而“超”则是指高于音频的频率范围或射频频率。图1是一个典型的超外差结构信号分析仪的结构框图。由图可知，输入信号经过两次混频步骤后达到最后的中频。

图1　典型超外差结构信号分析仪的结构框图

1　剩余响应的产生机理

剩余响应是指当没有任何信号输入的时候，信号分析仪显示器上所显示的离散响应[1]。所以，剩余响应实际上是一种假响应，它的存在会干扰信号分析仪的测量，影响其测量的准确性。由于本振信号辐射而产生的假信号就是一种剩余响应。其产生的机制主要是因为第一本振泄露以及混频器的非线性特性[2]而导致的。

输入端口没有输入信号，并不代表就没有信号频率的存在。在引言中，我们知道信号分析仪通过两次混频的过程将射频信号转换到中频进行处理。如图1所示，LO1是工作在扫频模式，其工作频段为3-10GHz，由YIG振荡器产生。由于信号分析仪结构设计的限制，其内部空间有限，也就导致各个功能模块之间的空间间隔比较狭小。因此，LO1信号一方面通过空间向外辐射，另一方面通过信号通路泄露出来。这些信号泄露到混频器2中，并在混频器中相互作用。

图2是一种常用的混频器的结构原理图。由图我们可以看到，混频器主要是由二极管组成的，这就决定了其非线性的特性。

图2

由于混频器是非线性器件，其输出除了包含两个原始信号和它们的差信号之外，还包含它们的谐波以及原始信号与其谐波的差信号。若任何一个混频信号落在中频(IF)滤波器的通带内，它都会被进一步处理后显示出来，如果这些信号幅度过大则会产生虚假信号影响测量的准确性。通过公式(1)我们可以很清晰的看出，混频器是如何将射频信号变频到中频信号的。只有当m、n等于1时，得到的才是我们所需要的信号。然而，实际情况却是射频信号和本振信号的谐波分量也在混频器中产生了中频信号并输出到后端数字处理部分。

其中：

当LO1信号泄露到混频器2中时，整个频段的信号以及其谐波信号与LO2信号和其谐波信号，经过混频产生了中频信号。

2　剩余响应的抑制方法

剩余响应抑制是反映信号分析仪性能的一项重要指标。理想状态下，是应将剩余响应信号湮没在噪声基底中。但是在实际工程实践中，目前还无法达到这种理想状态，只能通过在电路设计、结构设计和空间布局等方面来提高对剩余响应的抑制能力。通过调整电路和结构方面的设计，从源头上减小辐射到混频器2的射频信号的功率，同时在LO2通路上设计合适的滤波电路来抑制第二本振信号的谐波的功率。输入射频和本振信号的多余频率的功率得到了抑制，从而达到抑制输出中频的作用。

首先，改进屏蔽盒工艺，提高电路板的抗干扰能力。在信号分析仪的组成中，YIG振荡器、频率合成、频率参考等模块都会产生很多不同频率的信号，这些信号辐射到其他功能板上后，对这些电路来说就是干扰信号了。可以说，信号分析仪自身就是一个复杂的辐射源。所以，各个功能模块都需要采取必要的屏蔽措施来阻止外界信号对自身的干扰。其中，加装屏蔽盒是一种很重要的防干扰措施。现在普遍采用的屏蔽盒组件主要通过在外框内侧开黏贴导电衬垫的方式(如图3a所示)提高密封性，进行屏蔽。这种屏蔽盒具有较好的屏蔽作用，但随着信号分析仪性能指标要求的不断提高，我们提出了一种应用新工艺方式、具有更好屏蔽效果的屏蔽盒。该工艺采用“导电橡胶涂覆”方式(如图3b所示)代替传统的黏贴导电衬垫方式，使屏蔽盒腔体与电路之间贴合更加紧密，密封性提高，增强了电路板的抗干扰能力。

图3

其次，在LO2的信号通路上设计滤波模块，抑制LO2的谐波信号的幅度。如图4所示，在LO2通路上采用了多级滤波的方式，来确保对LO2信号谐波的充分抑制。在LO2输入端口设计低通滤波器1，对输入本振信号进行一次滤波，减小后面增益模块的输入信号谐波的功率。本振信号经过放大后，再经过一级带通滤波器和低通滤波器2，进一步滤除其谐波分量。同时，低通滤波器2又将回波中的谐波分量滤除。因此，通过设计多级滤波器的滤波方案，大大降低了进入到混频器2的本振信号中的谐波分量的功率。

图4

以上针对剩余响应采取的措施，主要是通过抑制进入到混频器2的输入信号谐波的方式来降低剩余响应的功率。由于混频器的非线性特性，才导致进入混频器的信号谐波合成了剩余响应。因此，对混频器功率进行合适的调整，同样可以起到抑制剩余响应的作用。混频器电平是决定混频器性能的关键，混频器电平越高，混频器的1dB压缩点、三阶截获点指标越高。然而，混频器电平越高，也就意味着其产生的剩余响应的功率越大。通过适当降低混频器电平，在保证1dB压缩点、三阶截获点等指标满足要求的基础上，使混频器的输入功率减小，从而达到抑制剩余响应的作用。

3　结论

剩余响应作为一项衡量信号分析仪性能的重要指标，有效地抑制剩余响应的功率，对提高信号分析仪的测量准确度具有重大作用。本文通过对剩余响应产生机理以及电路模块功能特性的分析，通过改进屏蔽工艺、对输入信号充分滤波和调整混频器电平等措施，有效的抑制了剩余响应。通过整机测试验证，改进后信号分析仪的剩余响应得到明显改善。如图5所示，设置频率6.5GHz，无射频输入的情况下，剩余响应幅度由-109dBm减小到-129dBm。通过对比可以看出，经过改良处理后，剩余响应得到了有效抑制。

图5

参考文献

[1]张永慧.频谱分析基础[M].北京:安捷伦科技(中国)有限公司,2011:24-27.

[2]Ludwig.R.著.王子宇等译.射频电路设计—理论与应用[M].北京:电子工业出版社,2002:141-150.

张明岳，助理工程师，现供职于中国电子科技集团公司第四十一研究所，主要负责信号分析类仪器硬件电路开发设计工作。

Study on a Method for Restraining the Residual Response of Signal Analyzer

Abstract：As a widely used measurement and analysis instrument,the requirement of signal analyzer’s performance is higher and higher. residual response is a important index which could affect the signal analyzer’s performance.aimed at the present situation,throughanalysising the principle of its produce,a improvement of circuit design and structure technology is proposed.the improvement will restrain the residual response efficiently,and then increase the signal analyzer’s performance.

Keyword：Signal analyzer；Residualresponse；Restraint；Mixer

作者简介：

基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项项目“高性能微波频谱分析仪研制与应用开发”（2012YQ200224）资助项目。