頻譜儀測量發(fā)射機(jī)帶外雜散信號的分析

何新亮,盛松林,劉 列,趙興錄

(1.國防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長沙410073;2.空軍裝備研究院防空所,北京100085)

0 引言

當(dāng)發(fā)射機(jī)雜散信號超過規(guī)定值時會對其他用頻設(shè)備產(chǎn)生干擾,因此雜散信號作為考核發(fā)射機(jī)電磁兼容性能的重要指標(biāo)之一,其測量結(jié)果是否準(zhǔn)確可信顯得尤為重要。由于有的操作者對頻譜儀的測量方法不當(dāng),得到的測量值與真實(shí)值相比,可能存在很大的誤差,夸大了實(shí)際的雜散信號,用這樣的數(shù)據(jù)去評價發(fā)射機(jī)的電磁兼容性能是不合理的。在此分析了用頻譜儀測量發(fā)射機(jī)帶外雜散信號測量結(jié)果不準(zhǔn)確的原因,給出了解決方法,可保證測量結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

1 帶外雜散信號的概念和測量方法

帶外雜散信號是指發(fā)射機(jī)輸出的除去諧波和噪聲的處于基波頻帶之外的無用射頻信號,其特征是在離散頻率上的窄頻帶內(nèi)存在顯著的分量信號。

在對發(fā)射機(jī)進(jìn)行測試中,頻譜分析儀是信號分析的主要儀器,是目前較為常用而且較為簡便的方法,測量雜散信號的方框圖如圖1所示。

圖1 雜散信號測量方框圖

2 測試結(jié)果及分析

2.1 內(nèi)部衰減器對雜散信號測量的影響

對某發(fā)射機(jī)的耦合輸出信號進(jìn)行了測試,衰減為50 dB到0 dB時的基波附近雜散頻譜的測試結(jié)果如圖2、圖3、圖4和圖5所示。圖2中基波信號最大值為7.24 dBm,參考電平設(shè)置為30 dBm,此時頻譜儀的內(nèi)部衰減器自動調(diào)整為50 dB,噪聲電平為-34 dBm,未發(fā)現(xiàn)明顯的帶外雜散信號;在圖3中,當(dāng)把基波信號移出測量范圍,將參考電平下降30 dB變成0 dBm,此時儀器內(nèi)部衰減器自動調(diào)整為10 dB,發(fā)現(xiàn)了雜散信號,其中比較大的達(dá)到-65 dBm;圖4中參考電平為0 dBm,內(nèi)部衰減自動減小為5 dB,又檢測到了2個雜散點(diǎn);圖5中內(nèi)部衰減自動減小為0 dB,發(fā)現(xiàn)這些雜散信號的強(qiáng)度測量值又增大了10 dB左右。

圖2 基波-衰減為50 dB

圖3 衰減為10 dB

圖4 衰減為5 dB

圖5 衰減為0 dB

2.2 原因分析

從頻譜儀工作原理入手來分析衰減器影響雜散信號的測量原因。頻譜儀工作原理框圖[1]如圖6所示,射頻輸入信號與本振混頻后,經(jīng)中頻濾波、檢波,在顯示器上顯示其電平。其中混頻器是典型的非線性器件。

圖6 頻譜儀工作原理

基波大信號輸入頻譜儀后,容易導(dǎo)致頻譜儀過載飽和,將產(chǎn)生非線性效應(yīng),產(chǎn)生出許多和大信號頻譜形狀相似的其他雜散信號。這些雜散信號不是外部進(jìn)入頻譜儀的信號,因此稱為虛假信號。虛假信號有一個典型特點(diǎn),就是過載越嚴(yán)重,虛假信號幅度越大。雜散的頻譜和大信號的頻譜形狀相似,但寬度為后者的P/Q倍,P和Q為整數(shù)。據(jù)相關(guān)資料介紹,進(jìn)入混頻器端口的功率電平不大于-30 dBm時,可保證使頻譜儀工作在線性范圍,即在此條件下,頻譜儀本身產(chǎn)生的非線性失真對被測信號來說其影響可忽略不計(jì)[2]。

有的頻譜儀前級具有預(yù)先放大器或衰減器。當(dāng)信號在頻譜儀的衰減器放在最大值和預(yù)先放大器放在最小值時已經(jīng)接近頻譜儀的飽和門限,則當(dāng)減小衰減量或增加預(yù)放,同樣會導(dǎo)致頻譜儀后級過載飽和,出現(xiàn)非線性效應(yīng),產(chǎn)生很多帶外雜散。

當(dāng)頻譜儀信號過大飽和以后,儀器會提示過載飽和。但如果改變掃描范圍,將大信號移出當(dāng)前儀器顯示窗口,則不會提醒過載飽和。然而由于儀器是寬開的,當(dāng)把大信號移出當(dāng)前顯示窗口,如果衰減減小或預(yù)放加大,仍然會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,在帶外出現(xiàn)許多虛假的雜散信號。

因此,為了準(zhǔn)確測量帶外雜散小信號,應(yīng)盡量避免輸入信號過大飽和。如果采用增加外部衰減和內(nèi)置衰減的方法來降低輸入大信號的幅度,將直接影響頻譜儀的測量靈敏度,會使幅度較低的雜散小信號淹沒于噪聲中而不可測,即出現(xiàn)了一個矛盾,一方面要降低基波大信號的幅度,一方面又不能使雜散小信號幅度降低使測試非常困難。在下面將給出解決這個矛盾的辦法。

2.3 真實(shí)信號和虛假信號的辨別

如何區(qū)分雜散信號是從外面進(jìn)來的真實(shí)信號,還是儀器自身飽和引起的虛假信號,有簡單的方法:如果大信號在當(dāng)前窗口內(nèi),則飽和會出現(xiàn)相應(yīng)的提示。如果大信號在當(dāng)前窗口外,則不會有提示,此時可以看信號頻譜形狀是否和大信號相似,如果相似就可能是虛假信號;同時,對衰減器或預(yù)先放大器進(jìn)行調(diào)整,外面來的真實(shí)信號的幅度不會改變,但虛假信號的幅度就會發(fā)生較大的改變。

從衰減為50 dB的圖2到衰減為0 dB的圖5,帶外出現(xiàn)了越來越大的虛假雜散,它們的帶寬和基波一樣。此外,可以看到還有一個尖的真實(shí)雜散信號,它的幅度保持不變,是一個外來的真實(shí)信號。

3 測量方法的改進(jìn)

為了準(zhǔn)確測試雜散小信號,應(yīng)該在射頻輸入信號進(jìn)入頻譜儀之前采用帶通濾波器濾除基波大信號,保證進(jìn)入混頻器端口的功率電平不大于-30 dBm,避免基波大信號使混頻器產(chǎn)生飽和非線性效應(yīng),同時增大測量動態(tài)范圍,保證對需要測量的雜散小信號無損耗。據(jù)調(diào)研,福州博訊通電子有限公司研發(fā)的可調(diào)式帶通濾波器具有較好的性能。其插入損耗約為1.1 dB±0.2 dB,帶外抑制可達(dá)50 dB以上且較平坦,能夠有效地抑制基波,對需要測量的雜散信號幾乎無損耗,可滿足測量要求[3]。

需要指出的是,帶阻濾波器和高通濾波器雖然也可以有效濾除基波信號,但由于帶阻濾波器的帶外特性曲線和高通濾波器的特性曲線都不夠平坦,通常波動可達(dá)3 dB甚至更多,且高通濾波器無法對低端信號進(jìn)行測量,因此它們都不適合用來濾除基波信號。

使用頻譜儀測量時,要保證測量的準(zhǔn)確性還取決于所設(shè)置的頻譜儀帶寬(RBW和VBW)和掃描時間。有關(guān)帶寬和掃描時間的設(shè)置與頻譜儀用于其他測量時基本相同,不再贅述。

4 結(jié)束語

在測量發(fā)射機(jī)帶外雜散信號過程中,避免頻譜儀的非線性效應(yīng)是至關(guān)重要的,直接決定著測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信性。解決飽和非線性問題的方法是研制一個濾波器件能有效地抑制基波大信號,同時對需要測量的雜散小信號無損耗。

[1]蔡偉群,鄒進(jìn)興.惠普系列頻譜儀諧波測量的誤差分析[J].中國無線電管理,2000,12(6):25-27.

[2]李愛國.關(guān)于用頻譜儀測量發(fā)射機(jī)雜散信號的探討[J].無線電工程,1997,27(3):55-57.

[3]張 濱,杜豐功.調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)殘波輻射現(xiàn)場測試探析[J].中國無線電,2008(8):50-53.