便携式频谱分析仪 便携式频谱分析仪

频谱分析仪被称为“微波工程师万用表”，可以直接测量和分析信号的凿形分量、寄生、互调和噪声边带，是微波测量中不可缺少的测量仪器之一。长期以来，由于传统台式光谱仪价格昂贵，国内微波的应用主要集中在雷达、电子对抗、空技术、卫星地面站、电磁兼容测试等领域，光谱仪的普及率不高。近年来，随着通信技术的飞速发展，尤其是5G时代的到来，越来越多的野外作业需要频谱分析仪的支持。在这种情况下，传统频谱分析仪庞大的体积和昂贵的价格日益限制了其应用的扩展。

1.全模拟光谱仪方案简介

现代宽带频谱分析仪大多采用扫频超外差接收方案，全模拟超外差频谱分析仪的简化原理框图如图1所示。

手持式光谱仪的设计及工作原理

图1所示的光谱仪工作在扫频模式:中频滤波器组由几个中心频率相同、带宽不同的滤波器组成。混频器通过不断改变扫频本振信号的频率，可以使不同频率的输入信号依次落入中频滤波器的通带，从而完成整个频带信号的频谱分析。

一种手持式光谱仪的方案设计

2.1全模拟光谱仪方案的启示

完全模拟模式下的频谱分析仪方案很好地解释了频谱分析仪的基本组件，如图2所示。

由扫频本振和混频器组成的超外差接收模块将宽带输入信号转换为中频窄带信号，便于后续电路的进一步分析处理。

中频滤波器组由一系列带通滤波器组成。不同的滤波器带宽决定了不同的频率分辨率，用来实现频谱分析仪的分辨率带宽，是频谱分析仪必不可少的核心部件之一。

检波器是频谱分析仪必不可少的核心部件之一，用于检测分辨率带宽内的信号能量。

视频滤波器由一系列低通滤波器组成，用于滤除检测后光谱信息的高频成分，可以提高光谱显示的视觉效果。它是光谱仪的重要组成部分之一。

频谱显示装置是频谱分析仪显示频谱分析结果的平台，是频谱分析仪不可缺少的重要功能部件。

2.2手持式光谱仪的方案设计

手持式光谱仪的设计首先需要解决体积问题。解决这个问题的根本途径是尽可能将功能组件数字化。

手持式频谱分析仪的频率范围为250 kHz ~ 2.7 GHz。在图2所示的频率潜水器的核心框图中，由于A/D采样器和采样带宽的限制，超外差接收模块仍然需要采用模拟电路设计。

超外差接收的信号是已经是窄带信号的中频信号。通过合理选择信号的中心频率和带宽，可以在当前器件级进行A/D采样。在手持式光谱仪的设计中，中频信号的中心频率为21.4兆赫，带宽为3兆赫。

这样，分辨率带宽过滤，视频过滤等。可以通过数字信号处理来实现。因为手持光谱仪有11个分辨率带宽和10个视频带宽，所以需要在模拟模式下设计21个滤波器。数字信号处理后，只需要一个FPGA芯片，大大节省了体积。手持式光谱仪的设计方案如图3所示。

下面介绍超外差接收模块的设计，这是核心部分。

2.3超外差接收模块的设计

超外差接收组件是手持式光谱仪的核心组件，其性能直接决定了光谱仪的相位噪声、杂散噪声、噪底等性能指标。超外差接收组件的组成框图如图4所示。

该模块采用三级混频方式实现，第一中频为4 021.4 MHz，第二中频为821.4 MHz，第三中频为21.4 MHz，此选择的目的是将第二混频所需的3.2 GHz本振除以4即可产生第三混频所需的800 MHz本振，从而减少了本振的数量和体积。

输入衰减器是一个0 ~ 60 dB、10 dB步进的大功率射频衰减器，用于实现手持式光谱仪的量程。

3个主要绩效指标

核心部分体积仅为190 mm×100 mm×60 mm，功耗约12 W，其主要性能指标如下:

频率范围:250 kHz ~ 2.7 GHz

分辨率带宽:30 Hz ~ 1 MHz ；

视频带宽:10 Hz ~ 1 MHz ；

扫频宽度设置:零扫频宽度，100Hz ~ 2.7 GHz；

平均显示噪声水平；

250千赫~1兆赫:& lt-100 dBm，1 MhZ ~ 2.7 GhZ:& lt；-120 DBm；

测量范围:danl ~+30 DBM；

单边带相位噪声:-80 DBC/赫兹@ 20千赫，1千兆赫

输入驻波比

4结束语

从以上介绍可以看出，手持式光谱仪体积小，功耗低，技术性能高，能够满足一般微波测量的要求。有望在微波通信网络、雷达、电子对抗、空技术、卫星地面站、电磁兼容测试等领域得到应用。

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