如何在頻譜分析中避免較大幅度誤差
2015-08-22
微波頻譜分析儀采用可調諧預選濾波器，通過去除多余的混頻器鏡像(mixer image)以及本地振蕩器(LO)的諧波響應來改善性能。不幸地是，這些預選器不穩(wěn)定，必須頻繁地調諧，而且正確的預選器調諧通常要求在感興趣頻率處的信號近似為CW統(tǒng)計分布。在新型MXA信號分析儀中，一個完整的噪聲源被用作預選濾波器的調諧信號，這有助于確保濾波器精度成為該儀器中自動例行程序的要素。
工作在26.5GHz的現(xiàn)代頻譜分析儀具有一個“低頻帶”和一個“高頻帶”信道，如圖1所示。低頻帶通常可工作在3GHz或更高頻率。在低頻帶上，信號上變頻到接近4GHz或更高的高IF頻段，然后再下變頻到接近300MHz的較低IF頻段。這種雙變頻方式可以極大地減少混頻器鏡像響應。
“高頻帶”頻率范圍實際上不能通過與低頻帶范圍一樣的模塊圖來創(chuàng)建，這是因為初級IF放大器將不得不工作在某個頻率下，該頻率下的放大器噪聲和失真總是無法滿足操作人員的要求。如圖1所示的備選模塊采用單個轉換步驟到IF輸出。在這個模塊圖中，初級混頻器中的鏡像響應僅通過兩倍IF大小的頻率(或大約600MHz)來間隔。這些鏡像在頻譜分析儀中不受歡迎。因此，可采用可調諧預選濾波器(帶通濾波器)來去除鏡像。
為實現(xiàn)微波頻率下所要求的抑制性能和調諧帶寬，預選濾波器以釔鐵石榴石(YIG)技術為基礎。YIG球的行為被控制在一個精確的磁場中，可產生用于去除來自頻譜分析儀信道的多余鏡像與響應的濾波器通帶諧振。
YIG預選器通常具有大約40到80MHz的通帶帶寬，可以在一個較寬的微波頻率范圍內進行調諧。當用于高達26.5GHz的頻率時，需要極高的諧振器品質因數(shù)(Q)，導致截止頻率過高，同時也造成幅度和頻率的不穩(wěn)定性。
調諧后漂移是YIG調諧帶通濾波器不穩(wěn)定特性的一種表現(xiàn)。用于調諧YIG球諧振頻率的磁鐵隨著所選頻率的變化而加熱或冷卻。磁鐵的溫度變化會影響磁鐵的尺度及磁場強度，從而影響濾波器調諧的頻率。磁鐵/球結構的機械老化過程類似，同樣導致不穩(wěn)定性增大。
同樣，調諧電流和濾波器中心頻率之間的關系并不能通過任何簡單的代數(shù)函數(shù)來精確建模。因此，即使調諧非常穩(wěn)定，但也會存在調諧誤差。結果就是頻率調諧誤差導致幅度誤差(圖2)。
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圖2a顯示了一個典型的YIG濾波器響應。x軸表示頻率，但由于YIG濾波器的頻率幾乎與調諧電流成正比，x軸也可以被認為是YIG濾波器的調諧電流。在這個例子中，較小的調諧電流誤差映射成工作點上與通帶斜率成正比的幅度誤差。設計工作點是-4dB響應點之間的中點，因為就調諧誤差而言該設計非常魯棒。
可以通過利用現(xiàn)代頻譜分析儀進行測量的方式調節(jié)YIG濾波器。用戶可以直接調節(jié)工作電流，或執(zhí)行“預選器取中(preselector center)”操作。由于頻譜分析儀的幅度響應是在對預選器調諧取中的條件下進行出廠校準的，所以取中是最佳操作。請注意，預選器的調諧精度變差將導致幅度精度降低。
圖2b顯示了YIG濾波器取中操作的重要性。A點表示用于對YIG濾波器頻率響應進行出廠校準的坐標位置。該點位于新型分析儀室溫下的響應曲線上。其水平位置在-4dB(相對峰值)響應頻率之間的中點。
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