擴(kuò)展RF/微波測(cè)量的頻率范圍

前言

虛擬儀器和合成儀器,是近年來(lái)業(yè)內(nèi)人士經(jīng)常談?wù)摰臒衢T(mén)話題。與傳統(tǒng)的機(jī)柜式產(chǎn)品相比,采用模塊化方案,其更新和重構(gòu)系統(tǒng)的成本更低廉。VXI和PXI是常用的兩種標(biāo)準(zhǔn),相比之下,PXI的體積更小、重量更輕、總線更快,因而使用也更廣泛。

然而,習(xí)慣于常規(guī)儀器的行家里手會(huì)質(zhì)疑,RF和微波儀器產(chǎn)品能否在PXI中實(shí)現(xiàn)。數(shù)字信號(hào)十分合適,低功率設(shè)備也不成問(wèn)題。甚至數(shù)字示波器和任意波形發(fā)生器一類(lèi)儀表也可以做成PXI格式,但RF和微波測(cè)試裝置卻不行。

圖1 典型的單級(jí)下變頻器方框圖

圖2 典型的單級(jí)上變頻器方框圖

對(duì)小型、經(jīng)濟(jì)實(shí)用和可重構(gòu)的RF與微波測(cè)量系統(tǒng)和發(fā)生器系統(tǒng)的需求一直保持著強(qiáng)勁的勢(shì)頭,唯一的出路是另辟蹊徑。變頻不失為一種簡(jiǎn)便、有效的技術(shù)。例如,將RF信號(hào)下變頻至較低的頻率,比如20MHz~30MHz,就可以用數(shù)字化儀來(lái)處理。一旦信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式,從數(shù)據(jù)中提取信息,諸如頻率、功率、調(diào)制和諧波成分則相對(duì)地容易。采用相反的過(guò)程能提供系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器功能。低頻信號(hào)送入上變頻器,最終輸出一個(gè)感興趣頻帶的有用頻率,調(diào)制可以通過(guò)任意波形發(fā)生器提供,也可以用軟件創(chuàng)建。

當(dāng)前的系統(tǒng)水平

當(dāng)前的PXI RF分析系統(tǒng)的頻率上限為2.7GHz或3GHz,輔以相應(yīng)的軟件可提供下列測(cè)試功能:

頻譜分析

功率測(cè)量(峰值和平均值)

鄰道功率測(cè)量

調(diào)制分析

占用頻帶

頻率響應(yīng)

具有上述測(cè)量功能系統(tǒng)的典型成本約為15000美元.一臺(tái)頻譜分析儀的價(jià)格也大體如此.盡管PXI RF分析儀不一定具備同類(lèi)單臺(tái)產(chǎn)品的全部性能指標(biāo),但它確實(shí)能以較低成本提供欲完成任務(wù)的足夠性能。在大多數(shù)場(chǎng)合,RF分析儀用于生產(chǎn)環(huán)境,在這種環(huán)境中,工作速度和使用方便性比最高性能更重要。不僅如此,對(duì)準(zhǔn)確測(cè)量應(yīng)用,其軟件包是可以用戶定制的。

變頻技術(shù)

近年來(lái),為了用PXI實(shí)現(xiàn)802.11a測(cè)試,必須將5.6GHz頻帶下變頻至1.1GHz~2.2GHz。下面詳細(xì)考察各種變頻方案,并討論它們的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 下變頻技術(shù)

表2 上變頻技術(shù)

表1列舉了3種主要的下變頻技術(shù),同時(shí)指出了各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)?；净祛l似乎是最佳方案。在4.6GHz~6GHz下變頻場(chǎng)合,使用固定頻率的本振,1.1GHz輸出信號(hào)的頻帶與輸入信號(hào)頻帶相同,因此稱(chēng)為區(qū)變頻。

采用這一方案,一個(gè)雙槽寬PXI下變頻器模塊將4.9GHz~6GHz頻帶中信號(hào)變頻至1.1GHz~2.2GHz頻帶中信號(hào)。模塊的方框圖如圖1所示。下變頻器器設(shè)有一個(gè)鎖定在RF分析儀10MHz基振的固定頻率本振,輸入信號(hào)與本振混頻,然后經(jīng)濾波后提供較低頻率的輸出。

圖3 12.2GHz-12.7GHz上變頻器方框圖

任何時(shí)候兩個(gè)信號(hào)混頻,得到的將不僅僅是所需要的頻率,還存在很多其它的頻率。因此,下變頻器設(shè)計(jì)必須保證將這些無(wú)用的信號(hào)全部過(guò)濾掉。濾波器同時(shí)還能降低本振信號(hào)在變頻器輸入和輸出上的電平。在混頻器的3個(gè)端口中還可增加一個(gè)小型2dB衰減器,來(lái)改善匹配度和系統(tǒng)的總平坦度。混頻器會(huì)產(chǎn)生下邊帶和上邊帶。在此場(chǎng)合,選擇下邊帶來(lái)覆蓋1.1GHz~2.2GHz頻帶。上邊帶由混頻器輸出端的低通濾波器過(guò)濾掉。然而,選擇下邊帶會(huì)產(chǎn)生頻譜倒置的復(fù)雜情況。例如,倘若本振頻率(FLO)為7.1GHz,輸入頻率(FIN)為4.9GHz,那末輸出頻率(FOUT)為2.2GHz或12GHz.
FOUT=FLO+FIN

12GHz信號(hào)經(jīng)低通濾波器大于60dB的衰減,對(duì)輸出影響很小。同樣,6GHz輸入頻率會(huì)產(chǎn)生1.1GHz和13.1GHz輸出頻率。這樣,如果在輸入端掃頻,而在撿得的輸出端進(jìn)行觀察,頻帶的低端出現(xiàn)在顯示的右邊,而高端在左邊。這個(gè)掃描圖形正好與觀察掃描頻率的習(xí)慣方式相反。幸運(yùn)的是,頻譜倒置能很容易用軟件校正,顯示返回到正常的方式。

為了解決信號(hào)發(fā)生器的需求,一個(gè)上變頻器將信號(hào)從1.1GHz~2.2GHz頻帶變換至4.9GHz~6GHz頻帶。表2列出了上變頻器的兩種技術(shù)。同樣,我們選擇基本混頻方案。上變頻器的方框圖基本上和下變頻器類(lèi)似,只是作些變更以適應(yīng)輸入頻率低于輸出頻率(圖2)。同樣可以用2dB衰減器來(lái)改善混頻器每個(gè)端口的匹配度。用相同的混頻器和開(kāi)關(guān)來(lái)提供變頻或直通性能。上邊帶由輸出級(jí)的帶通濾波器除去,最終的輸出電平用可程控衰減器進(jìn)行高速調(diào)整,為了便于觀察,針對(duì)頻譜倒置的校正是必不可少的。

為了實(shí)現(xiàn)802.11a測(cè)試,RF分析系統(tǒng)的成本增加至5000美元~8000美元。而一臺(tái)新的信號(hào)發(fā)生器或頻譜分析儀,想要覆蓋擴(kuò)展的頻率范圍,其成本至少高出5倍以上。

Wi Max要求

通信事業(yè)的發(fā)展不可能停止不前,新的應(yīng)用層出不窮。一種新的標(biāo)準(zhǔn)是WiMax或80216a,全稱(chēng)是微波接入全球互通它是一項(xiàng)無(wú)線城域網(wǎng)(WMAN)技術(shù),是針對(duì)微波或毫米波頻段提出的一種新的無(wú)線接口標(biāo)準(zhǔn)。它用于將終端無(wú)線接入到互聯(lián)網(wǎng),也可以將公司或家庭環(huán)境連接至有線骨干網(wǎng),作為線纜或DSL的線擴(kuò)展技術(shù),實(shí)現(xiàn)無(wú)線寬帶接入。

Wi Max給出了2GHz~66GHz極寬的頻率范圍。目前考慮的是2GHz~11GHz頻段Wi Max規(guī)章工作組建議先采用2.5GHz,3.5GHz以及5.8GHz頻段。如果這一標(biāo)準(zhǔn)被廣泛地采納,就要求調(diào)制解調(diào)器工作在這些頻段。對(duì)于PXI基RF分析儀。只要工作帶寬不超過(guò)500MHz,仍然可以使用圖1所示的簡(jiǎn)單分區(qū)下變頻器來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。當(dāng)然,本振頻率和相應(yīng)的濾波器需作些改動(dòng)。這一方案也適用于上變頻器。然而當(dāng)輸出頻率在12.2GHz~12.7GHz時(shí),上變頻器可按圖3所示的框圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。

寬帶應(yīng)用

某些應(yīng)用需要大于500MHz的帶寬,在這些場(chǎng)合,必須使用可調(diào)諧本振來(lái)控制雜散頻率和鏡象頻率。采用鎖定在10MHz基振的YIG調(diào)諧的合成器,已設(shè)計(jì)了一種覆蓋2.7GHz~6GHz的變頻器。帶調(diào)諧的變頻器,其輸出頻率范圍無(wú)法達(dá)到輸入頻率范圍相同帶寬,因而頻帶需分段進(jìn)行分析。由于有用帶寬在20MHz~30MHz范圍,處于當(dāng)前頻率擴(kuò)展設(shè)計(jì)的能力之內(nèi),不會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題。

盡管調(diào)諧本振的復(fù)雜程度較高,變頻器方案仍不失為擴(kuò)展當(dāng)前RF分析系統(tǒng)頻率范圍的最經(jīng)濟(jì),最方便的方法。

結(jié)語(yǔ)

簡(jiǎn)單的變頻器是增加PXI基RF分析系統(tǒng)頻率性能最經(jīng)濟(jì),最有效的方法。系統(tǒng)軟件無(wú)需作大的改動(dòng),工作在透明的方式,且提供充分的靈活性。當(dāng)要求變化時(shí),需要改動(dòng)的只是變頻器部分而不是整個(gè)系統(tǒng)。這是機(jī)柜式儀器無(wú)法達(dá)到的。