频谱分析仪中频带宽的设计

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1、频谱分析仪中频带宽的设计作者：何高楼、陈爽　　单位：中国电子科技集团公司第四十一研究所、电子测试技术国家重点实验室　　转载：国外电子测量技术　　发布时间：2008-01-15引言       大多数接收机的中频频率是固定的，并在此频率上设计带通滤波器来抑制干扰、提高接收灵敏度。在某些宽带接收机中，中频的带宽需要根据实际应用情况进行调节，如多速率的宽带通信系统等，带宽必须和码元速率相匹配，过大或过小都会对接收机的性能产生很大的影响。频谱分析仪也不例外，只不过要求更高，中频带宽滤波器的设计直接关系到整机动态范围、频率分辩率、解调带宽

2、以及功率测量准确度等关键技术指标。1设计原理       在某些特定的情况下，采用开关切换的方法是一种简洁而且适用的方法，但这只适用于带宽变化不多的场合下，比如4-5个以下。随着带宽数量的增加，这种方法就不再适用，其带来的最直接结果是电路变得异常庞大和复杂。图1同步调谐滤波器        频谱分析仪需要的中频带宽可能从几赫兹到几兆赫兹连续变化[2]。对于这些需求，采用程控带宽滤波器是比较简洁而且经济的方法。对于程控带宽滤波器来说，同步调谐滤波器是一种比较理想的解决方法。如图1所示：它由多级中心频率和Q值相等的谐振回路组成。各级

3、之间通过FET高阻放大器缓冲隔离。单级的带宽由下式给出[1]：       通过改变串联电阻Rs可以降低整个谐振回路的Q值，从而改变带宽，它通常由PIN二极管构成。      这种电路结构有许多优点：调节方便；容许各级间的轻微不平衡；具有良好的脉冲响应特性；群时延变化较小；另外，这种拓扑结构的总Q值大于单级的Q值。级联后的总带宽可用级联公式计算如下[1]：      式中，n为谐振回路的级数，为n级谐振后的电路总带宽，为单级谐振回路的带宽；如果采用4级级联谐振回路，通过式(2)可以算出单级带宽为总带宽的2.3倍。 图2程控中频带

4、宽滤波器实现原理框图        分辨率带宽反映了频谱仪的不同档次，经济型为1kHz～3MHz；中档型约为30Hz～3MHz；高档为1Hz～3MHz。图2是高性能频谱分析仪的中频带宽实现原理框图，中频信号输入后首先经过补偿放大器，该放大器增益随不同的滤波通道变化，以为补偿通道增益误差，之后信号分成两路分别处理，第一路经LC调谐滤波器完成分辨率带宽100k～3MHz，第二路经晶体调谐滤波器完成300Hz～30kHz分辨率带宽，晶体和LC滤波器的带宽控制由D/A变换器提供。下面分别介绍各单元的设计内容。1.1补偿放大器      

5、 补偿放大器可以补偿因谐振回路的Q值变化引起的电路损耗，另外，它还是一个高阻放大器，以实现输入电路同校准放大器的隔离。在选择不同的通道时，该放大器的直流偏置会相应的产生变化。图3a是LC滤波方式下的等效原理图，图3b是晶体滤波方式下的等效原理图。在LC滤波方式下，补偿放大器的增益为：在晶体滤波方式下，补偿放大器的增益为：这里，RT与晶体谐振回路的Q值成正比，从而起到补偿作用。aLC滤波器下等效原理图b晶体滤波器下等效原理图图3补偿放大器等效原理图 1.2LC滤波器       LC滤波器是应用最广的滤波器，它的理论完整，也是设计

6、其他类型滤波器的基础。由于频谱分析仪中频信号的频率不高，一般为10.7MHz或21.4MHz，在此频率上，电路的分布参数对整体性能影响不大，可以设计出性能稳定、成本低的带通滤波器。但设计中需要考虑滤波器的温漂、精密的带宽控制和增益控制。 图4LC滤波器电路模型        图4给出了LC带宽滤波及补偿电路的模型。为了具有可变的带宽，在信号通道上加入补偿网络并附加PIN二极管RS来控制带宽。由于LC带宽网络自身固有带外抑制非对称性，所以加入补偿网络。补偿网络由LC并联谐振网络组成，谐振在中频频率点上。PIN二极管作为可变电阻与补

7、偿网络并联，通过调节Rs来减小每一级的有载Q值，达到增大带宽的要求。此处PIN二极管与晶体滤波器中的要求一致，作用相同。谐振回路由LC并联网络组成，为了保证滤波电路有好的温度特性，采用负温度系数的电容补偿电感的温漂；使用线绕电感来提高谐振网络的Q值，能够实现较小的滤波带宽。1.3晶体滤波器       晶体谐振器具有非常高的Q值，晶体谐振器作为高频窄带滤波器是其主要应用之一。晶体滤波器的特点是中心频率很稳定，带宽很窄，阻带内有陡峭的衰减特性 图5晶体谐振器等效电路图        晶体谐振器有串联谐振频率和并联谐振频率，而且两频

8、率相差很小。在串联谐振频率点晶体呈现最小的阻抗特性。图5是晶体谐振器的串联等效电路模型。一般来说，晶体谐振器的等效电感量L很大，等效电容Cm很小，Rs为其等效串联内阻，C0为寄生电容。       晶体滤波电路的模型如图6所示。电路中利用串联谐振的晶体谐振器作为