频谱分析仪中频带宽的设计
作者：何高楼、陈爽单位：中国电子科技集团公司第四十一研究所、电子测试技术国家重点实验室转载：国外电子测量技术发布时间：2008-01-15
引言
大多数接收机的中频频率是固定的，并在此频率上设计带通滤波器来抑制干扰、提高接收灵敏度。

在某些宽带接收机中，中频的带宽需要根据实际应用情况进行调节，如多速率的宽带通信系统等，带宽必须和码元速率相匹配，过大或过小都会对接收机的性能产生很大的影响。

频谱分析仪也不例外，只不过要求更高，中频带宽滤波器的设计直接关系到整机动态范围、频率分辩率、解调带宽以及功率测量准确度等关键技术指标。

1 设计原理
在某些特定的情况下，采用开关切换的方法是一种简洁而且适用的方法，但这只适用于带宽变化不多的场合下，比如4-5个以下。

随着带宽数量的增加，这种方法就不再适用，其带来的最直接结果是电路变得异常庞大和复杂。

图1 同步调谐滤波器
频谱分析仪需要的中频带宽可能从几赫兹到几兆赫兹连续变化[2]。

对于这些需求，采用程控带宽滤波器是比较简洁而且经济的方法。

对于程控带宽滤波器来说，同步调谐滤波器是一种比较理想的解决方法。

如图1所示：它由多级中心频率和Q值相等的谐振回路组成。

各级之间通过FET高阻放大器缓冲隔离。

单级的带宽由下式给出[1]：
通过改变串联电阻Rs可以降低整个谐振回路的Q值，从而改变带宽，它通常由PIN二极管构成。

这种电路结构有许多优点：调节方便；容许各级间的轻微不平衡；具有良好的脉冲响应特性；群时延变化较小；另外，这种拓扑结构的总Q值大于单级的Q值。

级联后的总带宽可用级联公式计算如下[1]：
式中，n为谐振回路的级数，为n级谐振后的电路总带宽，为单级谐振回路的带宽；如果采用4级级联谐振回路，通过式(2)可以算出单级带宽为总带宽的2.3倍。

图2 程控中频带宽滤波器实现原理框图
分辨率带宽反映了频谱仪的不同档次，经济型为1kHz～3MHz；中档型约为30Hz～3MHz；高档为1Hz～3MHz。

图2是高性能频谱分析仪的中频带宽实现原理框图，中频信号输入后首先经过补偿放大器，该放大器增益随不同的滤波通道变化，以为补偿通道增益误差，之后信号分成两路分别处理，第一路经LC调谐滤波器完成分辨率带宽100k～3MHz，第二路经晶体调谐滤波器完成300Hz～30kHz分辨率带宽，晶体和LC滤波器的带宽控制由D/A 变换器提供。

下面分别介绍各单元的设计内容。

1.1 补偿放大器
补偿放大器可以补偿因谐振回路的Q值变化引起的电路损耗，另外，它还是一个高阻放大器，以实现输入电路同校准放大器的隔离。

在选择不同的通道时，该放大器的直流偏置会相应的产生变化。

图3a是LC滤波方式下的等效原理图，图3b是晶体滤波方式下的等效原理图。

在LC滤波方式下，补偿放大器的增益为：
在晶体滤波方式下，补偿放大器的增益为：
这里，RT与晶体谐振回路的Q值成正比，从而起到补偿作用。

a LC滤波器下等效原理图
b 晶体滤波器下等效原理图
图3 补偿放大器等效原理图
1.2 LC滤波器
LC滤波器是应用最广的滤波器，它的理论完整，也是设计其他类型滤波器的基础。

由于频谱分析仪中频信号的频率不高，一般为10.7MHz或21.4MHz，在此频率上，电路的分布参数对整体性能影响不大，可以设计出性能稳定、成本低的带通滤波器。

但设计中需要考虑滤波器的温漂、精密的带宽控制和增益控制。

图4 LC滤波器电路模型
图4给出了LC带宽滤波及补偿电路的模型。

为了具有可变的带宽，在信号通道上加入补偿网络并附加PIN二极管RS来控制带宽。

由于LC带宽网络自身固有带外抑制非对称性，所以加入补偿网络。

补偿网络由LC并联谐振网络组成，谐振在中频频率点上。

PIN二极管作为可变电阻与补偿网络并联，通过调节Rs来减小每一级的有载Q值，达到增大带宽的要求。

此处PIN二极管与晶体滤波器中的要求一致，作用相同。

谐振回路由LC并联网络组成，为了保证滤波电路有好的温度特性，采用负温度系数的电容补偿电感的温漂；使用线绕电感来提高谐振网络的Q值，能够实现较小的滤波带宽。

1.3 晶体滤波器
晶体谐振器具有非常高的Q值，晶体谐振器作为高频窄带滤波器是其主要应用之一。

晶体滤波器的特点是中心频率很稳定，带宽很窄，阻带内有陡峭的衰减特性
图5 晶体谐振器等效电路图
晶体谐振器有串联谐振频率和并联谐振频率，而且两频率相差很小。

在串联谐振频率点晶体呈现最小的阻抗特性。

图5是晶体谐振器的串联等效电路模型。

一般来说，晶体谐振器的等效电感量L很大，等效电容Cm很小，Rs为其等效串联内阻，C0为寄生电容。

晶体滤波电路的模型如图6所示。

电路中利用串联谐振的晶体谐振器作为滤波器通路；经过补偿网络的信号与三极管射极的信号电流大小相等、相位相反，这样可以抵消晶体中由于寄生电容CO引起的另一谐振峰。

由电感L1和电容C1构成的谐振网络，调谐在滤波器的中心频率上，此回路可有效地消除由于晶体产生的寄生峰（即寄生通带）；在谐振回路中选用负温度系数的补偿电容，以补偿电路的温度漂移。

为了具有可变的带宽，通过串接电阻到地改变每一级的Q值，调节R D可以改变整个谐振回路的带宽，R D由PIN 二极管构成。

图6 晶体滤波器电路模型
2 实验结果
按上述模型设计了一个带宽从300Hz~3MHz连续变化的中频带通滤波器。

图7a是程控LC滤波器为300kHz带宽的实验结果，实测是300.462kHz；图7b是程控晶体滤波器为300Hz带宽的实验结果，实测为305Hz。

全带宽内控制准确度优于±25％。

图7实验结果图
3 结论
实验结果表明，本文所介绍的设计思路和方法是可靠的而且可行的，可以通过D/A变换器精细调节频谱分析仪中频滤波器带宽，满足高性能频谱分析仪中频带宽的设计要求。

成本不高，性能指标较好，便于生产和调试，目前已经应用在一些高性能频谱分析仪模拟中频处理单元中，并可灵活应用到其它类接收机。

参考文献：
[1] RobertJ.Armantrout. An IF Module for Wide-Bandwidth Signals. October 1995 Hewlett-Packard Journal
[2] WITTE R A.频谱和网络测量[M].李景威，张伦，译.北京：科学技术文献出版社，1997.
[3] 郭诠水,刘祖深,高小玲.数字通信测量仪器[M]. 北京:人民邮电出版
社,2007.
[4] AV4032微波频谱分析仪用户手册[Z]. 2002.
[5] AV4033高性能频谱分析仪用户手册[Z]. 2002.
[6] AV4942A卫星通信综合测试仪用户手册[Z]. 2007.。