频谱分析仪接收机前端的设计与仿真

沈 旭，张福洪

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江杭州310018)

0 引言

射频频谱分析仪具有带宽宽、灵敏度高、动态范围大等特点，是现代微波测量的重要工具。接收机前端主要将大动态范围的输入射频信号转化为窄带易处理的低中频信号，是频谱分析仪的核心部件，接收机前端指标的高低和性能的好坏直接影响整个频谱分析仪的指标与性能［1］。本文根据超外差原理设计频谱分析仪接收机前端的结构形式，结合安捷伦E4402B频谱分析仪的参数指标，选用适合的元器件芯片。并在ADS环境下进行仿真分析，验证设计方案的有效性。

1 接收机前端的设计指标

灵敏度是频谱分析仪辨识低电平信号的能力，为实现更好的频谱分析仪测试灵敏度，接收机前端处理过程中的级联噪声和失真需要尽可能降低。参考E4402B频谱分析仪数据手册，本文接收机前端设计主要需满足的关键指标如下［2］:

(1)接收机的灵敏度，在最小分辨率RBW=1Hz时，接收机最大灵敏度要求为-150dBm;

(2)互调抑制比，双音等幅输入电平-30dBm时，三阶互调比小于-85dBc，且三阶截点为16dBm。

其他参考指标如表1所示，包括频率覆盖范围、频率响应、最大安全输入电平等。

表1 E4402B相关指标要求

2 方案设计与分析

接收机射频部分通常采用一级或多级混频电路实现频率转变，射频输入频率fRF，本振频率fLO和中频输出频率fIF的关系如下:

式中，m、n为谐波次数。仅考虑一次变频(m、n=1)，式1简化为:

由式2可见，对于一个确定的本振和中频频率，总存在两个接收频率满足要求，即除了需要的接收频率之外，必存在一个镜像频率［3］。如图1(a)所示，当fRF〉2fIF时，输入频率与镜像频率有重叠。为保证接收有用信号，可应用可调谐的带通滤波器抑制镜像频率。但由于输入频带较宽，调谐滤波器设计过于复杂，实际应用中通常采用复杂度较低的高中频方案如图1(b)所示，镜像频率与输入频率不重叠，可通过固定的滤波器滤除镜像频率。

图1 外差式频谱分析仪的镜像频率范围

频谱分析仪在低频率上处理信号，该信号一般选取21.4MHz。若将第一中频3 921.3MHz直接转变到21.4MHz，镜像频率与第一中频仅相隔42.8MHz。由于混频器的RF和IF端口之间有限的隔离度，RF信号可能直通第一中频，形成中频馈通［4］，图1(a)中滤波器对该镜像频率的不能全部抑制。为解决以上问题，可以提高第二中频频率，第二本振与第一中频之间的距离随之增大，容易实现第一中频滤波器，也能抑制中频馈通。本文采用方案如图2所示，先变频到第二中频321.4MHz，再加第三级混频将信号转变到21.4MHz。

图2 频谱分析仪接收机前端框图

3 接收机前端系统仿真

频谱分析仪的灵敏度通常为显示平均噪声电平，环境温度290K时，平均噪声电平表示为［5］:

式中，-174dBm为噪声基底，即环境温度为290K时在1Hz带宽内的热噪声功率，BN，IF为中频滤波器的噪声带宽，NFSA为频谱分析仪的噪声系数，-2.5dB是由于取样检波器对噪声欠加重和对数电平值的平均引起的噪声误差。级联网络的总噪声因子Ft:

式中，Fi为单级噪声因子、Gi为单级增益，n为级数。固有噪声:

固有噪声与衰减器和分辨率带宽相关，在分辨率确定的情况下，要提高频谱仪的灵敏度需要将衰减器设置尽量小，以降低噪声电平，使信号不被噪声淹没。频谱分析仪最高灵敏度通常在衰减器0dB设置下获得，参考E4402B参数指标，最小分辨率为1Hz(衰减器0dB)时，最大灵敏度-150dBm。可将3dB带宽近似为噪声带宽，根据式3，可得NFSA≤26.5dB。

接收机前端采用3次变频方案，电路需选择满足要求的混频器和中频放大器。为满足低噪声要求，中频放大器需要噪声小、增益高［1］;为保证信号的线性度，放大器1dB压缩点越高越好且需要足够稳定，结合E4402B指标要求，中频放大器选用芯片HMC395、Gali 51+和ADL5531。混频器分别选用MRFIC2002、HMC395、ADL5802，有较高的隔离度和P1压缩点，变频损耗范围在可接受范围，且由式4可得该方案噪声总因子Ft=80.835，噪声系数NF=10logF=19.076dB，满足设计求。在ADS环境下进行接收机前端系统仿真，如图3所示，按实际选用芯片设定各级元器件参数，使系统仿真结果满足设计指标，射频输入频率1GHz，输入、输出信号频谱图如图4所示。

输入等幅双音信号频率分别为1GHz、1.000 05GHz，电平为-30dBm，中频附近的频谱特性如图5所示，该接收机前端的三阶互调失真IMD3=m1-m2=-88.803dBc;输入公式TOIoutput=1.5m1-0.5m2，显示仿真结果 TOI为 16.305dBm。当前设计下，由式 3可得最大灵敏度 DANL为-157.724dBm，最大动态范围DR=2/3(TOI-DANL)=119.019dB，除去10dB保护带，可用动态范围为109.019dB，仿真结果基本优于指标要求。

图3 谐波仿真原理图

4 结束语

本文分析了0-3GHz频谱分析仪接收机前端的设计方法，采用3次变频超外差结构方案实现频率转换，结合安捷伦E4402B频谱分析仪指标设置接收机前端混频器、中频放大器参数。充分利用ADS软件进行仿真分析，仿真结果基本满足预设指标，本文方案设计合理。

［1］ 来晋铭.8GHz频谱分析仪接收机前端的研制［D］.成都:电子科技大学，2009.

［2］ Agilent Technologies.ESA-E Series Spectrum Analyzer［EB/OL］.http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-9815EN.pdf，2011-07-27.

［3］ 李新伟.频谱分析仪混频原理深层解析［J］.自动化与仪器仪表，2008，(5):63-64.

［4］ 梁强.射频频谱分析仪的设计研究［D］.合肥:合肥工业大学，2006.

［5］ Christoph Rauscher.Fundamentals of Spectrum Analysis［M］.München:Rohde ＆ Schwarz GmbH ＆ Co.KG，2007:102-105.