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扩展RF/微波测量的频率范围

作者:时间:2012-04-20来源:网络收藏

前言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/194010.htm

虚拟仪器和合成仪器,是近年来业内人士经常谈论的热门话题。与传统的机柜式产品相比,采用模块化方案,其更新和重构系统的成本更低廉。VXI和PXI是常用的两种标准,相比之下,PXI的体积更小、重量更轻、总线更快,因而使用也更广泛。

然而,习惯于常规仪器的行家里手会质疑,和微波仪器产品能否在PXI中实现。数字信号十分合适,低功率设备也不成问题。甚至数字示波器和任意波形发生器一类仪表也可以做成PXI格式,但和微波测试装置却不行。

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图1 典型的单级下变频器方框图

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图2 典型的单级上变频器方框图

对小型、经济实用和可重构的系统和发生器系统的需求一直保持着强劲的势头,唯一的出路是另辟蹊径。变频不失为一种简便、有效的技术。例如,将RF信号下变频至较低的频率,比如20MHz~30MHz,就可以用数字化仪来处理。一旦信号转换成数字格式,从数据中提取信息,诸如频率、功率、调制和谐波成分则相对地容易。采用相反的过程能提供系统的信号发生器功能。低频信号送入上变频器,最终输出一个感兴趣频带的有用频率,调制可以通过任意波形发生器提供,也可以用软件创建。

当前的系统水平

当前的PXI RF分析系统的频率上限为2.7GHz或3GHz,辅以相应的软件可提供下列测试功能:

频谱分析

功率测量(峰值和平均值)

邻道功率测量

调制分析

占用频带

频率响应

具有上述测量功能系统的典型成本约为15000美元.一台频谱分析仪的价格也大体如此.尽管PXI RF分析仪不一定具备同类单台产品的全部性能指标,但它确实能以较低成本提供欲完成任务的足够性能。在大多数场合,RF分析仪用于生产环境,在这种环境中,工作速度和使用方便性比最高性能更重要。不仅如此,对准确测量应用,其软件包是可以用户定制的。

变频技术

近年来,为了用PXI实现802.11a测试,必须将5.6GHz频带下变频至1.1GHz~2.2GHz。下面详细考察各种变频方案,并讨论它们的优缺点。

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表1 下变频技术

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表2 上变频技术

表1列举了3种主要的下变频技术,同时指出了各自优缺点。基本混频似乎是最佳方案。在4.6GHz~6GHz下变频场合,使用固定频率的本振,1.1GHz输出信号的频带与输入信号频带相同,因此称为区变频。

采用这一方案,一个双槽宽PXI下变频器模块将4.9GHz~6GHz频带中信号变频至1.1GHz~2.2GHz频带中信号。模块的方框图如图1所示。下变频器器设有一个锁定在RF分析仪10MHz基振的固定频率本振,输入信号与本振混频,然后经滤波后提供较低频率的输出。

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图3 12.2GHz-12.7GHz上变频器方框图

任何时候两个信号混频,得到的将不仅仅是所需要的频率,还存在很多其它的频率。因此,下变频器设计必须保证将这些无用的信号全部过滤掉。滤波器同时还能降低本振信号在变频器输入和输出上的电平。在混频器的3个端口中还可增加一个小型2dB衰减器,来改善匹配度和系统的总平坦度。混频器会产生下边带和上边带。在此场合,选择下边带来覆盖1.1GHz~2.2GHz频带。上边带由混频器输出端的低通滤波器过滤掉。然而,选择下边带会产生频谱倒置的复杂情况。例如,倘若本振频率(FLO)为7.1GHz,输入频率(FIN)为4.9GHz,那末输出频率(FOUT)为2.2GHz或12GHz.
FOUT=FLO+FIN

12GHz信号经低通滤波器大于60dB的衰减,对输出影响很小。同样,6GHz输入频率会产生1.1GHz和13.1GHz输出频率。这样,如果在输入端扫频,而在捡得的输出端进行观察,频带的低端出现在显示的右边,而高端在左边。这个扫描图形正好与观察扫描频率的习惯方式相反。幸运的是,频谱倒置能很容易用软件校正,显示返回到正常的方式。

为了解决信号发生器的需求,一个上变频器将信号从1.1GHz~2.2GHz频带变换至4.9GHz~6GHz频带。表2列出了上变频器的两种技术。同样,我们选择基本混频方案。上变频器的方框图基本上和下变频器类似,只是作些变更以适应输入频率低于输出频率(图2)。同样可以用2dB衰减器来改善混频器每个端口的匹配度。用相同的混频器和开关来提供变频或直通性能。上边带由输出级的带通滤波器除去,最终的输出电平用可程控衰减器进行高速调整,为了便于观察,针对频谱倒置的校正是必不可少的。

为了实现802.11a测试,RF分析系统的成本增加至5000美元~8000美元。而一台新的信号发生器或频谱分析仪,想要覆盖扩展的,其成本至少高出5倍以上。

Wi Max要求

通信事业的发展不可能停止不前,新的应用层出不穷。一种新的标准是WiMax或80216a,全称是微波接入全球互通它是一项无线城域网(WMAN)技术,是针对微波或毫米波频段提出的一种新的无线接口标准。它用于将终端无线接入到互联网,也可以将公司或家庭环境连接至有线骨干网,作为线缆或DSL的线扩展技术,实现无线宽带接入。

Wi Max给出了2GHz~66GHz极宽的。目前考虑的是2GHz~11GHz频段Wi Max规章工作组建议先采用2.5GHz,3.5GHz以及5.8GHz频段。如果这一标准被广泛地采纳,就要求调制解调器工作在这些频段。对于PXI基RF分析仪。只要工作带宽不超过500MHz,仍然可以使用图1所示的简单分区下变频器来完成这个任务。当然,本振频率和相应的滤波器需作些改动。这一方案也适用于上变频器。然而当输出频率在12.2GHz~12.7GHz时,上变频器可按图3所示的框图进行设计。

宽带应用

某些应用需要大于500MHz的带宽,在这些场合,必须使用可调谐本振来控制杂散频率和镜象频率。采用锁定在10MHz基振的YIG调谐的合成器,已设计了一种覆盖2.7GHz~6GHz的变频器。带调谐的变频器,其输出无法达到输入频率范围相同带宽,因而频带需分段进行分析。由于有用带宽在20MHz~30MHz范围,处于当前频率扩展设计的能力之内,不会出现什么问题。

尽管调谐本振的复杂程度较高,变频器方案仍不失为扩展当前RF分析系统频率范围的最经济,最方便的方法。

结语

简单的变频器是增加PXI基RF分析系统频率性能最经济,最有效的方法。系统软件无需作大的改动,工作在透明的方式,且提供充分的灵活性。当要求变化时,需要改动的只是变频器部分而不是整个系统。这是机柜式仪器无法达到的。



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