CN105044461A - 一种宽带射频频谱分析结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于射频测量技术领域，特别涉及一种宽带射频频谱分析结构。因所述装置采用Harmonic？Mixer，有频谱分析装置在较宽频率范围工作时，使得本地振荡器的频率变化范围减小，降低了本地振荡器的设计难度。同时由于Harmonic？Mixer的输出频谱中含有除了有用信号之外的其他多种信号，而在本装置中采用一种算法，实现由Harmonic？Mixer的输出信号，直接解算得输入信号的频谱。

Description

一种宽带射频频谱分析结构

技术领域

本发明涉及射频电子和可编程器件领域，尤其涉及一种射频频谱分析结构。

背景技术

射频频谱分析仪是射频电子系统设计中不可缺少的仪器，广泛应用于无线电通讯设备、雷达等射频领域的频谱才测量，其结构，对仪器测量的频谱宽度、中频滤波器的设计和本地振荡器的设计有着极其重要的影响。

目前，基波混频技术的频谱分析技术已经非常成熟，但是其缺点也变得越来越显著，主要是由于本地振荡器的频率变化范围不易做到非常的宽，这限制了射频频谱分析的带宽也变窄。

由于传统的射频频谱分析结构，是直接测量中频信号的强度来间接测量射频输入信号的强度，故传统的射频频谱分析结构中的中频滤波器，通常采用腔体滤波器，以提高中频滤波器的性能，这对中频滤波器的设计提出了比较高的要求，使得中频滤波器的设计变得困难，会造成很高的成本和体积压力。

由于当今对射频频谱分析仪的测量带宽，设计难度和成本等提出更高的要求，因此为确保实现射频频谱分析仪的基本功能的同时，应简化射频频谱分析仪的结构设计，拓宽射频频谱分析仪的带宽，提高集成度，这些已成为射频频谱分析仪的非常重要的设计要求。

发明内容

本发明提供了一种射频频谱分析仪的结构，以解决现有技术中的不足，降低射频频谱分析仪设计的复杂程度和成本高等问题。

本发明一实施例射频频谱分析电路结构图,包括：带通滤波器，谐波混频器，本地振荡器，低通滤波器，低噪放大器，前端匹配电路，射频数字处理模块。

本发明一实施例提出了一种谐波混频电路结构，包括：带通滤波器(1)，谐波混频(2)，射频巴伦(3)，低通滤波器(5)。

其中，本地振荡器输出本振信号，本振信号通过射频巴伦(3)平衡驱动谐波混频(2)中的混频二极管，由于射频二极管的非线性特性产生了，以本振信号为基波的各次高次谐波，令自然数i取1至N,i表示第i次谐波，则所需的第i次谐波和射频输入谐波混频出中频信号，最后通过低通滤波器输出中频信号。

射频信号通过由高低阻抗线和电容所组成的带通滤波器，分成两路。一路射频信号互连至第一只射频二极管的阴极，另一路射频信号互连至第二只二极管的阳极。第一只射频二极管的阳极和第二只二极管的阴极互连，然后通过一电阻送到由高低阻抗线构成的低通滤波器，由低通滤波器输出中频信号。

中频信号送至低噪声放大器，以提高整个系统的信噪比，且已提供需要的功率增益,通过前端匹配电路，最后送至射频数字处理模块，对中频进行分析处理。分析处理的实现通过本发明中给出的算法实现，算法的程序结构方框图为图4。

本发明又一实施例还提出了一种射频频谱分析电路结构，包括:带通滤波器(1)，谐波混频(2)，射频巴伦(3)，本地振荡器(4)，低通滤波器(5)，低噪放大器(6)，前端匹配电路(7)，高速AD转换器(8),数据处理(9)。

其中，射频数字处理模块内又，包括：高速AD转换器(8)和数据处理(9)。

本发明一实施例提出了一种数据分析处理算法，由数据处理(9)负责。采用FPGA器件实现数据处理的算法，亦可采用DSP或ARM器件。算法的程序结构方框图为图4。因中频输出中很有可能包含多个信号，数据处理(9)负责分析并处理中频输出中的信号，从而得到射频输入的频谱。

作为一改进，本地振荡器输出的本振信号无需复杂的滤波器，只需提供足够的驱动功率即可。降低了本地振荡器设计的复杂性。

作为一改进，中频信号的频率可以选择的比较低。大大降低了中频信号处理电路的要求。

作为一改进，可以标定射频频率数量、功率数量和对应的中频信号功率数量之间的关系，分段线性化后，将射频频率数量、功率数量和对应的中频信号功率数量储存成查找表，供后期计算使用。这样可以大大提高测量的精度。

本发明的优点：由于采用了谐波混频器，使得本地振荡器的设计复杂度和成本降低。其次由于射频数字处理模块使用了本发明中的算法，规避了采用谐波混频器的缺点，即谐波混频器输出的中频信号中，可能存在不需要的谐波和射频输入混频得到的信号。这在很大程度上降低了中频滤波器的设计难度和成本。

附图说明

图1为本发明一实施例射频频谱分析电路结构图。

图2为本发明又一实施例射频频谱分析电路结构图。

图3为本发明一实施例射频频谱分析中的带通滤波器(1)，谐波混频(2)，射频巴伦(3)，低通滤波器(5)的电路图。

图4为本发明一实施例射频频谱分析中，数据处理(9)的程序结构方框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。清楚完整的描述本发明实施例中的技术方案。基于本发明的实施例，在本领域里的技术人员，若没有做出创造性的劳动前提下，则所得出所有其他实施例都在本发明的保护范围内。

本发明提供了一种射频频谱分析仪的结构，以解决本地振荡器频率变化范围和射频频谱分析带宽的矛盾。同时也解决了本地振荡器输出滤波器和中频滤波器设计的难度。

图1为本发明一实施例射频频谱分析仪的电路结构图。参见图1，该电路结构，包括：带通滤波器，谐波混频器，本地振荡器，低通滤波器，低噪放大器，前端匹配电路，射频数字处理模块。

图2为本发明又一实施例射频频谱分析仪的更为详细的电路结构图。参见图2，该电路结构，包括：带通滤波器(1)，谐波混频(2)，射频巴伦(3)，本地振荡器(4)，低通滤波器(5)，低噪放大器(6)，前端匹配电路(7)，高速AD转换器(8),数据处理(9)。

图3为具体实施的谐波混频器的电路。为了便于和标准的50欧姆匹配，谐波混频器的电路的射频输入、LO本振输入和中频输出，三端口都采用了标准的50欧姆阻抗。图3的具体实施的谐波混频器的电路，包括：带通滤波器(1)，谐波混频(2)，射频巴伦(3)，低通滤波器(5)。其中，带通滤波器(1)由高低阻抗线和一耦合电容构成。谐波混频(2)由两只参数相近的射频二极管构成。由带通滤波器(1)输出的信号分成两路，一路射频信号互连至第一只射频二极管的阴极，另一路射频信号互连至第二只二极管的阳极。第一只射频二极管的阳极和第二只二极管的阴极互连，然后通过一电阻送到由高低阻抗线构成的低通滤波器(5)，由低通滤波器(5)输出中频信号。LO本振信号通过射频巴伦(3)，变为平衡信号，分别驱动图3中的A和B两点，使得两个射频二极管工作在开关状态。实验表明LO本振信号功率必须足够约为+11dbm，功率过小则不能使得两个射频二极管工作，过大则可能损坏射频二极管或使造成过多的本振信号泄露。低通滤波器(5)为由高低阻抗线构成的低通滤波器。带通滤波器(1)、低通滤波器(5)的带通频率和带阻频率由实际需要确定。

图2为本发明又一实施例射频频谱分析仪的更为详细的电路结构图。其中，低噪放大器(6)可由GaAsFET等低噪元器件构成，用以以提高整个系统的信噪比。即可用MMIC实现单片放大。

图2为本发明又一实施例射频频谱分析仪的更为详细的电路结构图。其中，前端匹配电路(7)，充当低噪放大器(6)的输出滤波器，又充当低噪放大器(6)到高速AD转换器(8)的匹配。使得中频信号在频率低时和频率高时的幅频特性基本保持一致。

图2为本发明又一实施例射频频谱分析仪的更为详细的电路结构图。其中，高速AD转换器(8)可采用美国AD公司或BB公司的高速AD器件。高速AD转换器的采样速率和分析的中频带宽有直接联系，按照需要选择。

图2为本发明又一实施例射频频谱分析仪的更为详细的电路结构图。其中，数据处理(9)采用FPGA器件实现数据处理的算法，亦可采用DSP或ARM器件。算法的程序结构方框图如图4，第1步完成对本地振荡器PLL的初始化工作。第2步，设置开始扫描的本地振荡器F_LO1频率，并延时等待本地振荡器输出稳定。第3步，触发高速AD开始，采样的点数个需要的中频的频率分辨率有关，根据需要的中频频率最小分辨率，选择最少的采样点数。当然，如果对处理延时没有过多要求，则尽可能多的选择采样点数，已得到足够小的中频频率分辨率。第4步，当计数到设定的采样点数，则停止采样，否则继续采样。第5步，对采样的数据做FFT处理，得到中频信号中的频率分量对应的频率值依次存储在F_IF1[n]中，F_IF1[n]为一n维的数组。第6步，改变本地振荡器频率为F_LO2，F_LO2=F_LO1+?F或F_LO2=F_LO1-?F，的取值根据需要选取，建议为0.1MHz至1MHz。，的最小取值和本地振荡器最小频率分辨率有关，当然也和中频的最小频率分辨率有关，故不可以取的过小。的最大取值和中频的分析的最大带宽有关，若取值过大，则射频输入信号和本振谐波混频后得到的信号可能大大超出中频分析的带宽，使得本次测试失败，故也不可以取的过大。第7步，当计数到设定的采样点数，则停止采样，否则继续采样。第8步，对采样的数据做FFT处理，得到中频信号中的频率分量对应的频率值依次存储在F_IF2[n]中，F_IF2[n]为一n维的数组。第9步，计算倍频数N=|(F_IF1[i]-F_IF2[i])/(F_LO1-F_LO2)|，其中i为一自然数，表示中频信号中的第几个频率分量。第10步，计算输入的未知射频频率Fi，如果(F_IF1[i]<F_IF2[i])为真，则有Fi=N*F_LO1+F_IF1[i]，否则，有Fi=N*F_LO1-F_IF1[i]，其中Fi的射频功率和F_IF1[i]的中频信号功率存在某种对应关系，可有F_IF1[i]的信号功率得到频率为Fi的射频功率。上述过程仅描述了一次测量的过程，同理可知，设置一个本振扫描的起始频率F1，和终止频率F2，以为步进频率增量扫描，重复上述步骤(F2-F1)/?F次，即完成一次完整的测量过程。

Claims (11)

1.一种宽带射频频谱分析结构，其特征在于，包括：带通滤波器(1)，谐波混频(2)，射频巴伦(3)，本地振荡器(4)，低通滤波器(5)，低噪放大器(6)，前端匹配电路(7)，高速AD转换器(8),数据处理(9);

其中，射频信号输入到带通滤波器(1)，滤除工作带宽之外的射频信号，再送到谐波混频(2)。

2.射频信号和本地振荡器(4)的谐波在谐波混频(2)处进行混频，获得中频信号，送给低通滤波器(5)，滤除中频信号以外的信号。

3.中频信号送到低噪放大器(6)，发大中频信号到需要的功率。

4.低噪放大器(6)输出的中频信号送到前端匹配电路(7)，完成匹配和滤波再送到高速AD转换器(8)，转换成数字量，由数据处理(9)进行分析。

5.根据权利要求1所述射频频谱分析结构，其特征在于：低噪放大器(6)的输出通过前端匹配电路(7)，高速AD转换器(8)，完成匹配和中频信号的采集。

6.根据权利要求1所述射频频谱分析结构，其特征在于：高速AD转换器(8)转换的到的数据，送到数据处理(9)，完成对数据的分析。

7.根据权利要求1所述射频频谱分析结构，其特征在于：带通滤波器(1)、射频巴伦(3)、低通滤波器(5)均可采用高低阻抗线结构。

8.根据权利要求1所述射频频谱分析结构，其特征在于：谐波混频(2)由一只共体射频二极管，即参数相近的两只射频二极管构成。

9.根据权利要求1所述射频频谱分析结构，其特征在于：射频巴伦(3)采用射频同轴线结构的巴伦，亦可采用传输线结构。

10.根据权利要求1所述射频频谱分析结构，其特征在于：本地振荡器(4)采用PLL+分频器结构，振荡频率为数字可控。

11.根据权利要求1所述射频频谱分析结构，其特征在于：数据处理(9)采用FPGA器件实现数据处理的算法，亦可采用DSP或ARM器件实现算法。