细说频谱仪那些事（三）提高频谱仪的动态范围

受频谱分析仪输入混频器的限制，如果在测量微弱信号的同时存在大信号，频谱仪自身的谐波可能影响测试结果。

本文通过一项实验验证了二种频谱分析仪的自身谐波特性，并提出了微弱信号的测量解决方案。

在

现代微波测量中，频谱分析仪被越来越多的用于微弱信号的测试。频谱分析仪的显示平均噪声电平（DANL）也作为衡量其性能的一项重要指标。

频谱分析仪的输入混频器是非线性器件，自身会产生谐波和杂散。在测试过程中，测试者通常将频谱仪的SPAN设置在以被测信号为中心的一个较窄的范围内。但实际上空中存在的大信号也会同时进入频谱仪，由于这些信号的存在，频谱仪的输入混频器可能会产生谐波，这些谐波如果落到被测信号的频率范围内，则会对最终测试结果造成误差。

本文通过一项实验讨论并验证了这种现象，同时提出了相应的解决方案。

频谱分析仪在测量微弱信号中的应用

在衡量一台频谱分析仪的性能时，最常被提及的可能就是显示平均噪声电平（DANL），也就是灵敏度指标。随着技术的发展，目前一台经济型频谱仪的DANL可以做到-148dBm（如 N9320A），高端频谱仪为-172dBm（PXA），即使是手持频谱仪也可以做到-156dBm的典型值（MS2724B）。

另一方面，更多的无线和微波通信业务需要测量微弱信号，以下是几个典型案例：

(1)    在蜂窝基站杂散测量中，落入某些特殊频段的杂散信号不得大于-98dBm/100KHz，而在测试过程中，系统同时存在+43dBm的载频信号，与被测信号之间相差-141dBc。

(2)    在无源互调测试中，被测器件的互调产物为-120dBm，系统中同时存在+43dBm的载频，二者相差-163dBc。

(3)    在某项电磁环境业务测试中，要求被测信号的最小幅度是-167dBm/Hz。与前二种闭路测试的情况相比，这项测试更加复杂，因为在空中存在很多未知的信号，这些信号都可能进入频谱仪。

很显然，当大信号进入频谱仪时，频谱仪自身会产生互调和谐波。通常，频谱仪的谐波指标最大值为-60dBc，这些信号如果与被测信号混杂在一起，将会影响测试者的准确判断而导致测试误差。以下我们将通过一个实验来验证这种误差究竟有多大。

频谱分析仪的抗大信号干扰实验

我们搭建了一个测试电路来模拟频谱仪在大信号环境下的抗干扰特性（图1）。

 
        图1. 频谱仪的抗大信号干扰实验

由信号源SG1所产生的f1=1870MHz是我们希望测试的微弱信号，设为-100dBm；滤波器1是带通滤波器，其频率范围是1805-1880MHz，带外抑制大于-100dBc，以保证进入频谱仪的被测信号是纯净的。信号源SG2担任干扰信号的角色，其输出频率设为f2=935MHz，其二次谐波刚好与被测信号频率一致；滤波器2是925-960MHz的带通滤波器，其二次谐波抑制大于-100dBc，以保证进入频谱仪的干扰信号仅仅只有935MHz，由信号源2所产生的二次谐波1870MHz被滤除到小于被测信号10dB以下，f2信号通过定向耦合器的耦合端进入频谱仪。

在上述测试环境下，如果频谱仪的线性足够好，那么在其屏幕上只会显示真实大小的f1和f2信号，其中f1的幅度应为信号源1设定的输出值P1，即-100dBm。然而由于频谱仪存在非线性，出现在频谱仪的屏幕上的f1幅度可能是P2，其中P2-P1部分是由于频谱仪自身的非线性所产生的二次谐波所致。

实验的目的是为了验证当P1保持-100dBm不变，逐渐增加f2的幅度时，观察P1的变化过程。

我们针对N9320A台式频谱仪和MS2724B手持式频谱仪进行了上述测试，并将结果表示在图2中。

  
           图2. 频谱仪的抗大信号干扰实验结果

测试结果显示，当到达频谱仪的信号源SG2输出的f2信号幅度大于-14dBm时，N9320A频谱仪显示的P1开始变化，以后f1每增加1dB，P2增加约2dB，这符合谐波的规律。这个结果说明当干扰信号大于-14dBm后，频谱仪显示的P2已经不是被测的f1=1870MHz信号了，而是f2的二次谐波信号！

同样的测试条件下，MS2724B的拐点出现在-4dBm。

上述实验结果说明频谱仪自身的谐波失真会影响微弱信号的测试结果，为了精确测量微弱信号，需要各类滤波器来协助测试。以下是几个频谱仪测量微弱信号的典型应用案例。

频谱分析仪用于电磁环境测量

电磁环境测量是一种复杂的频谱测量项目。如图3所示的测试中，测试者希望测量的是来自无线电中继站的信号f1和f2，但周边的蜂窝基站、地球站和便携无线电台的信号不可避免的也同时落入频谱仪，如果这些干扰信号足够大，则会引起频谱仪产生二次谐波，更为严重的是引起互调产物，这些都会导致测量误差。

                                            
图3.电磁环境测量

要避免上述误差的产生，以下是几点建议：

1)     先进行扫频测试，结合台站数据库了解周边的无线电环境；

2)     采用定向天线，尽可能避开干扰信号；

在频谱仪或LNA输入端加上滤波器来滤除干扰信号。这是一种有效的解决办法，可以采用高通滤波器或机械可调的带通滤波器。图4是一种典型的开关预选高通滤波器组件。其中F1~F6的六个滤波器可以根据测试要求任意替换。在BXT的SFH系列开关预选的高通滤波器中，可以覆盖1.7GHz至18GHz。

图4.典型的开关预选高通滤波器组件

图5是一个典型的高通滤波器频率响应，这个滤波器的通带范围是6-11GHz，可以将来自C波段的干扰信号抑制到-35dBc以下。

 图5.典型的高通滤波器频率响应

频谱分析仪用于无源器件的互调和谐波测量

最为苛刻条件下的频谱测试，莫过于无源器件的互调和谐波测量了，这种测试环境有以下二大特点：

1)     被测信号非常小，要求小至-120dBm以下。

2)     系统中同时存在超过+43dBm的大信号。

从中我们发现大小信号相差-163dBc以上，而前述的实验中，大小信号仅相差-100dBc左右。如此苛刻的测试条件，采用图4那样的反射法（载频信号在滤波器输入端由于失配被反射回去）已经无法完成了，而必须采用图6所示的吸收法。                                

 图6.吸收法测试微弱信号

图6中，如果测试通路同时存在大信号（f1+f2）和微弱信号（fIM），通过滤波器后，这些信号被分成二路，其中的大信号和小信号被分离开来，用频谱仪可以直接测量小信号的幅度。

这期的频谱仪测试技巧就跟大家分享到这里，下期我们继续哦！大家对BXT滤波器感兴趣的话也欢迎直接联系我们！

作者简介：朱辉，资深从业人士，福州博讯通总经理，著有《实用射频测试和测量》一书。