無(wú)論是采用模擬IF處理的傳統(tǒng)頻譜儀，還是采用數(shù)字IF處理的現(xiàn)代頻譜儀，都是掃頻式架構(gòu)，通過(guò)第一級(jí)本振(LO)的調(diào)諧實(shí)現(xiàn)射頻的掃頻測(cè)試。熟悉頻譜儀架構(gòu)的朋友都了解，在第一級(jí)混頻器之前都會(huì)存在一個(gè)預(yù)選器，如圖1所示，這個(gè)預(yù)選器是個(gè)什么器件？具體有什么功能呢？

圖1. 傳統(tǒng)頻譜儀架構(gòu)示意圖

對(duì)于頻譜測(cè)試，射頻前端的預(yù)選器至關(guān)重要，這是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確頻譜測(cè)試的重要前提！預(yù)選器實(shí)際上就是一個(gè)濾波器，實(shí)際應(yīng)用中，要么是低通濾波器，要么是可調(diào)諧帶通濾波器。在低頻頻譜測(cè)試時(shí)，頻譜儀通常采用低通濾波器作為預(yù)選器；而在高頻段，頻譜儀通常采用YIG (Yttrium Iron Garnet，釔鐵石榴石鐵氧體) 濾波器作為預(yù)選器。采用YIG技術(shù)的帶通濾波器，一方面可以覆蓋到更高頻率(高達(dá)50GHz)，另一方面在調(diào)諧中心頻率時(shí)，濾波器的相對(duì)帶寬變化很小，從而保證了頻譜的準(zhǔn)確測(cè)試。

為什么掃頻式頻譜儀需要預(yù)選器呢？

具體原因要從掃頻式頻譜儀的工作原理說(shuō)起，頻譜儀整個(gè)模擬前端可能包含多級(jí)混頻器，通常為兩到三級(jí)混頻，但是只有第一級(jí)混頻器的LO是調(diào)諧的，而其它混頻器的LO都是固定的。每一級(jí)混頻器之后均包含一個(gè)中頻濾波器，這些濾波器的中心頻率是固定的，因此，通過(guò)第一級(jí)LO的不斷調(diào)諧，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的掃描測(cè)試，才可以觀測(cè)到一定頻率范圍內(nèi)的頻譜。

為方便起見(jiàn)，無(wú)論信號(hào)頻率高低，下文統(tǒng)一將頻譜儀輸入的信號(hào)稱為RF信號(hào)，LO信號(hào)是指第一級(jí)混頻器的本振信號(hào)，IF信號(hào)是指第一級(jí)混頻器輸出的中頻信號(hào)。

簡(jiǎn)單介紹一下混頻器：混頻器屬于一個(gè)變頻器件，具有RF、LO和IF三個(gè)端口，可以實(shí)現(xiàn)輸入頻率與LO頻率的和頻輸出，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的差頻輸出。在頻譜儀應(yīng)用中，混頻器起到下變頻的作用，后一級(jí)中頻濾波器將選擇差頻輸出。

當(dāng)LO頻率固定時(shí)，如果使混頻器輸出一定的IF信號(hào)，則在混頻器輸入側(cè)將存在兩個(gè)可能的頻率：f_RF和f_image。這兩個(gè)頻率與LO和IF之間的關(guān)系如圖2所示，互為鏡像。此處考慮的是高LO注入的情況，即LO頻率大于RF頻率，市面上的頻譜儀基本都采用高LO注入方式。圖1所示的頻譜儀架構(gòu)中，預(yù)選器位于混頻器之前，實(shí)際上起到鏡頻抑制的作用。

圖2. 混頻器的鏡頻工作特性

預(yù)選器是如何抑制鏡頻的呢？

掃頻式頻譜儀在工作中，預(yù)選器對(duì)鏡頻的抑制是如何體現(xiàn)的？其實(shí)，在頻譜儀輸入側(cè)并不一定真的存在鏡頻信號(hào)，此處所說(shuō)的預(yù)選器抑制的“鏡頻”是指在LO調(diào)諧時(shí)的“固有產(chǎn)物”。為了便于理解，下面通過(guò)圖解的方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

圖3. 當(dāng)存在RF信號(hào)時(shí)，LO在兩個(gè)調(diào)諧位置都會(huì)產(chǎn)生IF信號(hào)

如圖3所示，假設(shè)頻譜儀輸入側(cè)存在RF信號(hào)，當(dāng)LO調(diào)諧至f_LO1時(shí)，與RF信號(hào)的差頻為IF，因頻譜儀采用高LO注入方式，因此經(jīng)過(guò)計(jì)算，頻譜儀“認(rèn)為”在頻率為(f_LO1 – IF) 的位置存在一個(gè)信號(hào)，這就造成了圖中所示的虛假信號(hào)。

當(dāng)LO繼續(xù)調(diào)諧至f_LO2時(shí)，與RF信號(hào)的差頻也是IF，那么此時(shí)頻譜儀“認(rèn)為”在頻率為(f_LO2 – IF) 的位置也存在一個(gè)信號(hào)，而這個(gè)信號(hào)就是真實(shí)的RF信號(hào)。

虛假信號(hào)與真實(shí)信號(hào)互為鏡頻，二者頻率之差為2倍的IF頻率。假如頻譜儀的射頻前端沒(méi)有預(yù)選器，則測(cè)試類似于圖3這種信號(hào)時(shí)，頻譜上將出現(xiàn)兩根譜線，但只有一個(gè)是真實(shí)的。這樣會(huì)擾亂頻譜的測(cè)試，所以頻譜儀才會(huì)引入預(yù)選器。

YIG預(yù)選器為一窄帶帶通濾波器，位于Mixer之前，預(yù)選器的中心頻率與LO頻率同步掃描，二者之差為IF頻率，只有通過(guò)預(yù)選器的信號(hào)才會(huì)與LO混頻，因此可以避免產(chǎn)生LO調(diào)諧過(guò)程中虛假的鏡頻分量。

圖4在上述例子基礎(chǔ)之上引入了預(yù)選器，即使LO調(diào)諧至f_LO1，也不會(huì)產(chǎn)生虛假信號(hào)，因?yàn)榇藭r(shí)沒(méi)有信號(hào)通過(guò)預(yù)選器，而RF信號(hào)位于預(yù)選器帶外，已經(jīng)被充分抑制！當(dāng)LO進(jìn)一步調(diào)諧至f_LO2，RF信號(hào)剛好位于預(yù)選器的中心頻率處，此時(shí)LO與RF的差頻剛好為IF，于是經(jīng)過(guò)計(jì)算，頻譜儀“認(rèn)為”信號(hào)的頻率就是(f_LO2 – IF)，這就是真實(shí)的信號(hào)。

由此可見(jiàn)，預(yù)選器對(duì)于準(zhǔn)確測(cè)試頻譜是非常有必要的！

圖4. 在混頻之前引入預(yù)選器可以有效防止鏡頻效應(yīng)

頻譜儀什么情況下會(huì)采用低通濾波器作為預(yù)選器呢？

假如將頻譜儀的掃頻范圍設(shè)置為100kHz到10GHz，高達(dá)十幾倍頻程，采用可調(diào)諧的帶通濾波器當(dāng)作預(yù)選器是非常不現(xiàn)實(shí)的，即使可以設(shè)計(jì)出這種預(yù)選器，也無(wú)法解決相對(duì)帶寬隨中心頻率升高而變大的問(wèn)題。

對(duì)于這種情況，可以一改傳統(tǒng)情況，采用高IF頻率方案，即IF信號(hào)頻率大于RF信號(hào)頻率，此時(shí)也要求采用更高的LO頻率。這種情況下，鏡頻將遠(yuǎn)離信號(hào)，使用一個(gè)低通濾波器即可輕松抑制鏡頻。

圖5分別給出了LO的調(diào)諧范圍，以及RF信號(hào)和對(duì)應(yīng)鏡頻信號(hào)的掃頻范圍，這三個(gè)范圍相同，就是頻率測(cè)試范圍Span。頻譜儀選取的IF信號(hào)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于RF信號(hào)頻率，這使得鏡頻遠(yuǎn)離RF信號(hào)。

假如沒(méi)有預(yù)選器，當(dāng)LO調(diào)諧至f_LO,start，若在f_RF,start處沒(méi)有信號(hào)而在f_Image,start處存在一個(gè)信號(hào)，則下變頻后也會(huì)落在IF頻率上，這將使得頻譜儀“誤判”在f_RF,start處存在信號(hào)。

類似于YIG預(yù)選器，引入低通濾波器充當(dāng)預(yù)選器后，只有通過(guò)預(yù)選器的信號(hào)才可以參與混頻，從而解決了鏡頻信號(hào)干擾測(cè)試的問(wèn)題！

圖5. 采用低通濾波器作為預(yù)選器以應(yīng)對(duì)低頻信號(hào)頻譜的測(cè)試

現(xiàn)實(shí)情況是，高頻頻譜儀通常都會(huì)采用這兩種類型的預(yù)選器，各有各適用的情況，存在一個(gè)頻率分界點(diǎn)，低于該頻率將采用低通濾波器作為預(yù)選器，而高于該頻率則會(huì)采用YIG預(yù)選器。頻譜測(cè)試時(shí)，如果span橫跨了這個(gè)頻率分界點(diǎn)，則會(huì)自動(dòng)進(jìn)行預(yù)選器的切換選擇。

預(yù)選器對(duì)于寬帶信號(hào)分析有何影響？

基于頻譜儀的寬帶信號(hào)分析越來(lái)越多，5G NR、衛(wèi)星通信及雷達(dá)信號(hào)分析等都需要比較高的分析帶寬。而預(yù)選器的存在，則可能會(huì)影響寬帶信號(hào)的分析。如果載波頻率比較低，采用低通濾波型預(yù)選器，將不會(huì)限制分析帶寬，因?yàn)檫@種預(yù)選器帶寬很大。而如果載波頻率較高，將會(huì)采用YIG預(yù)選器，這種可調(diào)諧式濾波器的帶寬很小，只有幾十MHz，當(dāng)信號(hào)帶寬超過(guò)預(yù)選器帶寬時(shí)，將會(huì)限制寬帶信號(hào)的分析。

鑒于這種情況，一般在進(jìn)行寬帶信號(hào)分析時(shí)，頻譜儀會(huì)自動(dòng)bypass YIG預(yù)選器。

小結(jié)

本文詳細(xì)介紹了預(yù)選器對(duì)于掃頻式頻譜儀的重要性，通過(guò)舉例、圖解方式說(shuō)明了為什么需要預(yù)選器以及預(yù)選器是如何工作的。預(yù)選器對(duì)于基本的頻譜分析是非常必要的，但是對(duì)于寬帶信號(hào)分析卻可能是一種限制，業(yè)界頻譜儀一般都會(huì)引入bypass機(jī)制，從而避免預(yù)選器對(duì)寬帶信號(hào)分析的限制。

小文雖短但不乏精華，希望大家持續(xù)關(guān)注“微波射頻網(wǎng)”，后續(xù)精彩不斷~