擴(kuò)展RF/微波測量的頻率范圍

前言

虛擬儀器和合成儀器,是近年來業(yè)內(nèi)人士經(jīng)常談?wù)摰臒衢T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)儀器的行家里手會質(zhì)疑,RF和微波儀器產(chǎn)品能否在PXI中實現(xiàn)。數(shù)字信號十分合適,低功率設(shè)備也不成問題。甚至數(shù)字示波器和任意波形發(fā)生器一類儀表也可以做成PXI格式,但RF和微波測試裝置卻不行。

圖1 典型的單級下變頻器方框圖

圖2 典型的單級上變頻器方框圖

對小型、經(jīng)濟(jì)實用和可重構(gòu)的RF與微波測量系統(tǒng)和發(fā)生器系統(tǒng)的需求一直保持著強(qiáng)勁的勢頭,唯一的出路是另辟蹊徑。變頻不失為一種簡便、有效的技術(shù)。例如,將RF信號下變頻至較低的頻率,比如20MHz~30MHz,就可以用數(shù)字化儀來處理。一旦信號轉(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地容易。采用相反的過程能提供系統(tǒng)的信號發(fā)生器功能。低頻信號送入上變頻器,最終輸出一個感興趣頻帶的有用頻率,調(diào)制可以通過任意波形發(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試功能:

頻譜分析

功率測量(峰值和平均值)

鄰道功率測量

調(diào)制分析

占用頻帶

頻率響應(yīng)

具有上述測量功能系統(tǒng)的典型成本約為15000美元.一臺頻譜分析儀的價格也大體如此.盡管PXI RF分析儀不一定具備同類單臺產(chǎn)品的全部性能指標(biāo),但它確實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,對準(zhǔn)確測量應(yīng)用,其軟件包是可以用戶定制的。

變頻技術(shù)

近年來,為了用PXI實現(xiàn)802.11a測試,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。

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),同時指出了各自優(yōu)缺點。基本混頻似乎是最佳方案。在4.6GHz~6GHz下變頻場合,使用固定頻率的本振,1.1GHz輸出信號的頻帶與輸入信號頻帶相同,因此稱為區(qū)變頻。

采用這一方案,一個雙槽寬PXI下變頻器模塊將4.9GHz~6GHz頻帶中信號變頻至1.1GHz~2.2GHz頻帶中信號。模塊的方框圖如圖1所示。下變頻器器設(shè)有一個鎖定在RF分析儀10MHz基振的固定頻率本振,輸入信號與本振混頻,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

任何時候兩個信號混頻,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)計必須保證將這些無用的信號全部過濾掉。濾波器同時還能降低本振信號在變頻器輸入和輸出上的電平。在混頻器的3個端口中還可增加一個小型2dB衰減器,來改善匹配度和系統(tǒng)的總平坦度?；祛l器會產(chǎn)生下邊帶和上邊帶。在此場合,選擇下邊帶來覆蓋1.1GHz~2.2GHz頻帶。上邊帶由混頻器輸出端的低通濾波器過濾掉。然而,選擇下邊帶會產(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信號經(jīng)低通濾波器大于60dB的衰減,對輸出影響很小。同樣,6GHz輸入頻率會產(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。這個掃描圖形正好與觀察掃描頻率的習(xí)慣方式相反。幸運的是,頻譜倒置能很容易用軟件校正,顯示返回到正常的方式。

為了解決信號發(fā)生器的需求,一個上變頻器將信號從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衰減器來改善混頻器每個端口的匹配度。用相同的混頻器和開關(guān)來提供變頻或直通性能。上邊帶由輸出級的帶通濾波器除去,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,針對頻譜倒置的校正是必不可少的。

為了實現(xiàn)802.11a測試,RF分析系統(tǒng)的成本增加至5000美元~8000美元。而一臺新的信號發(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,全稱是微波接入全球互通它是一項無線城域網(wǎng)(WMAN)技術(shù),是針對微波或毫米波頻段提出的一種新的無線接口標(biāo)準(zhǔn)。它用于將終端無線接入到互聯(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),實現(xiàn)無線寬帶接入。

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。對于PXI基RF分析儀。只要工作帶寬不超過500MHz,仍然可以使用圖1所示的簡單分區(qū)下變頻器來完成這個任務(wù)。當(dāng)然,本振頻率和相應(yīng)的濾波器需作些改動。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,上變頻器可按圖3所示的框圖進(jìn)行設(shè)計。

寬帶應(yīng)用

某些應(yīng)用需要大于500MHz的帶寬,在這些場合,必須使用可調(diào)諧本振來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)計的能力之內(nèi),不會出現(xiàn)什么問題。

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

簡單的變頻器是增加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)軟件無需作大的改動,工作在透明的方式,且提供充分的靈活性。當(dāng)要求變化時,需要改動的只是變頻器部分而不是整個系統(tǒng)。這是機(jī)柜式儀器無法達(dá)到的。