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通过使用频谱分析仪(SA)与跟踪信号发生器(TG)的组合,我们可实现有源和无源网络的扫频标量频率响应测量。许多商用RF频谱分析仪可提供这种功能,但通常是另需配置的可选选项。 DS Instruments设计了两款外置、通用、独立的跟踪信号发生器: TG3000和TG6000,可以代替HP 85640A。我们的TG不仅提供典型的跟踪信号,还可以用作宽频带的信号发生器。此外,SA厂家内置的TG通常只能为SA的第一个频段提供信号,对于那些具有较高频带的SA,TG6000可以产生覆盖第一个高频段的跟踪信号。另外,我们还将演示通过TG3000 / 6000扫描一个内部频变DUT的方法。

通过单次LO(本地振荡器)扫描实现信号跟踪

有许多SA可以通过几个RF模块来实现TG功能。图1显示了使用混频器,放大器和设置为固定频率(1st IF)的信号发生器(SG))实现的TG功能的常见RF频谱分析仪架构。被扫描的设备(图1中的DUT)如图所示连接在TG和主机SA之间。这里介绍的TG生成技术仅适用于通过扫描1st LO以实现其频率扫描的频谱分析仪。许多是德/安捷伦/惠普仪器中都有使用这种技术。也有一些SA除了1st LO之外,也扫描了另一个LO,但这种仪器并不适用与本文所介绍的TG生成方法。除此之外,SA的1st LO也必须提供单独的输出接口以便连接到TG。最后,RBW(分辨率带宽)滤波器必须是“固定”的频率类型,而不是由一组滤波器组成的FFT类型。

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图1 典型SA框图

SG(信号发生器)信号与SA 1st LO混合后产生TG信号

当1st LO与TG内部的信号发生器输出信号(与1st IF处频率相同)混合后,混频器的输出将包含一个频率分量,该频率分量正好等同于分析仪在RF IN输入端的RF信号。这个信号是跟踪信号。 DUT被放置于混频器输出和分析仪的RF输入端之间。只要我们不改变频谱分析仪的频率扫描范围,TG内部的SG频率也不需要进一步的调整。 TG输出现在将通过1st LO的扫描来进行自动跟踪,从而为标量频扫测试提供完美的同步信号。

采用锁相技术的TG内部SG

TG3000 / 6000的内部SG与频谱分析仪主机的10MHz参考信号频率实现同步触发(锁相)。以确保在使用期间,TG的输出信号保持稳定并达到主机SA所需的精确频率。这在SA 采用窄带RBW情况下显得尤其重要。若果没有将TG内部信号源锁定为SA 10MHz参考信号,TG信号可能偏离出所使用RBW的范围。另外当仅使用TG3000 / 6000的SG输出时,锁相合成器也能保证稳定、高质量的RF信号输出。

关于隔离问题

您也许会说,可以直接将频谱分析仪的LO输出直接连接到混频器上来产生TG信号,这确实听起来很诱人,但是对于大多数频谱分析仪来说,这将产生一个问题。在SA的1st LO输出端口的反向方向上通常是没有足够隔离度的。结果是TG的信号发生器处于1st IF频率,这可能会泄漏回SA并进入1st IF。这将淹没分析仪的第一个和后续的IF。结果是增加了本地噪音和减小了动态范围。这个有害的传输路径如图1所示。

这里使用一个循环器是可以增加隔离度的,但是在提供约20dB隔离度的同时也减少了通往混合器的1st LO功率。 在TG3000 / 6000中,我们设计了一种工作频段高至6GHz的隔离放大器,可提供超过50dB的隔离度。 此外,当即使是低1st LO电平输入时,它也可以实现宽带操作和良好的LO驱动电平。 这个高隔离度放大器是以0dBm为输入功率电平工作设计的。

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图2~3 TG3000 和TG6000

TG3000和TG6000,自动运行的通用TG

基于图1所示的原理,在TG3000和TG6000中,混频器,高隔离放大器和宽带信号发生器都集成在一个仪器中,如图2和图3所示。在TG6000中,RF / IF混频器端口由前面板提供,以支持Band0和Band1操作。 而TG3000仅适用于Band 0操作。 TG3000将覆盖从100 KHz到3GHZ的Band0范围。 TG6000将在0和1的两个频带内覆盖100KHz至6GHz。内部信号发生器信号都可以从两款仪器的前面板输出。这样,TG3000 / 6000也可以作为独立的宽带信号源。对于支持的SA,无论是使用TG3000还是TG6000作为TG源,都不需要另外连接到主机PC。

使用TG3000与HP8566 A / B扫描Band0

图4显示了使用HP 8566A / B频谱分析仪的TG3000系统的测试配置,以覆盖从大约DC至2.5GHz的仪器第一频带。 TG3000 / 6000通过背后的USB端口供电,可以是电脑USB端口或电源适配器。在使用TG之前,用户通过设置TG3000后面板上的两个旋转开关来选择正在使用的主机SA型号,请参见图6。这些开关为所使用的特定仪器配置TG3000。对于HP 8566A / B,band0中的1st IF为3621.4 MHz,所以TG3000的内部SG将通过后面板开关自动设置为该频率。I-port上的3dB衰减改善了从DUT向TGW3000观测的VSWR。来自8566的LO信号上的6dB衰减改善了与该端口之间的隔离。在后面板输入端,TG3000和TG6000对大约0dBm的1st LO电平进行了优化。

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图4 TG3000与HP8566A Band0配置

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图5 后面板SA选择开关

使用TG6000与HP8566A / B进行扫描

图6显示了用于为HP8566的第一个高频段创建TG信号的TG6000设置。与TG3000一样,我们同样可以使用后面板开关选择HP8566A / B配置,如图5所示。前面板高/低频段选择开关我们设置为高频段。对于高频段操作,信号发生器输出端口(TG6000上中间的SMA接口)连接到TG LB端口,如图6所示。HP8566的所有高频段(2至22GHZ)的第一个IF为321.4MHz,因此信号发生器也设置为321.4MHz。混频器的R端口现在包含所需的TG信号以及那些不需要的镜像,但HP8566A / B输入端的YIG跟踪滤波器将会把这些不需要的产物完全消除。这里用户应该知晓,这些无论有用的还有不需要的频率分量其实都从DUT输入端进入了。

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图6:TG6000高频带(Band1)设置HP8566A / B

禁用Band0中的自动频移

一些SA可以在扫描Band0时使用他们的第二个LO的两个设置。原因(通常)是躲避SA扫描时的低电平寄生混合信号。我们已知HP8568A / B使用了这种频移,可以使用命令序列“SHIFT T”将其禁用。如果没有设置,则在HP8568进行第二次LO扫描时,TG信号将不会工作于正确的频率。 禁用时不会降低TG性能,但对于日常的SA操作,还是应该将此功能重新启用。

针对不支持的SA,如何确定正确的SG频率?

如果您的SA 不在DS Instruments支持的型号范围内,则可以使用以下步骤为您的TG操作找到正确的内部SG信号。当然,如果你的SA还扫描了另一个LO,那么就不能使用TG3000 / 6000了,如上文所述。参考图1,TG的内部SG信号发生器被设置为使用频带的1st IF频率。1st IF的频率可以从厂家的手册或通过实验中找到。通过在频谱分析仪的射频输入端直接输入TG 3000/6000 SG(或任何SG)信号,观察IF何时开始“淹没”仪器(通过上升的本底噪声实现)。您需要在PC上使用我们附带的软件和USB电缆来设定不同的SG频率。首先使用主机SA调整到最宽的RBW来大概地找到1st IF频率。当您看到本底噪音移动时,就已经接近SA的1st IF频率。您可以通过使用更窄的RBW来重新估计1st IF频率,并调试SG来寻找升高的本底噪声的幅值“峰值”。

TG3000与HP8566A / B的视频电平调均和动态范围

通过使用HP8566A / B的视频存储器,可以校准TG3000或TG6000的响应。如图4所示,如果二端口器件作为DUT连接,则扫描响应将类似于照片1所示。当DUT是很短的一段传输线时,理想相本应十分平坦,但图1的结果似乎存有误差。

我们可以使用HP8566A / B的视频存储器和算法特性来校准照片1中看到的非平坦的初始响应。相应设置后,每次扫描将实时更新校正。只要频率x轴范围设置不变,校正将保持有效。第一步是打开DISPLAY线并将其置于通过DUT的扫描响应附近。现在使用视频减法将视频A中的显示行和扫描响应之间的差异存储到VIDEO B存储器中。现在进行A,B视频相减,A扫描现在是一条平坦的线。使用这种方法令分析仪在“THRU”响应中减去了相应的误差。

当在TG和SA端口上替换50Ω终端时,照片2还显示了本底噪声。由于使用视频存储器(VIDMEM_A-(VIDMEM_B-DL))进行了电平校正,所以高频的噪声基底上升,和照片1中相应频段的响应下降一致。这样,照片2就显示了使用10KHz RBW,TG3000 / HP8566A / B可实现的动态范围约为80dB。

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照片1:THRU型DUT,TG3000和HP 8566A / B SA的未校准Band0响应

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照片2:使用视频存储器和本底噪声校准后THRU扫描

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照片3:使用TG3000配合HP8566A / B 频谱仪扫描的带通滤波器(中心频率: 1445 MHz)

使用TG3000 / 6000扫描变频器

许多与SA配套的TG并不允许用户“偏置”输入信号,以便扫描诸如混频器或上变频/下变频器之类的DUT。但是,只要DUT引入的频率偏移量不超过SA 1st IF频率施加的限制,就可以使用TG3000 / 6000进行扫描。通过在TG3000 / 6000系统内部设置SG输入偏移量,可以将频率有源DUT作为一个完整系统进行扫描。这样的系统扫描表征的是由诸如滤波器,放大器,混频器等许多单独元件的组合效应。

图7显示了使用TG3000模块与HP8566组合对下变频器(作为DUT)扫描的例子。这个示例DTU输入第一级是一个中心频率254MHz,5MHz带宽的SAW BPF。经放大后,DUT将254MHz信号转换为21.4Mhz。这是通过DUT内部232.6MHz的LO实现的。之后DUT将21.4MHz的信号应用于中心频率21.4MHz带宽2MHz的BPF. DUT的完全频率响应将会由254MHz和21.4MHz的两个BFP决定。

一般在我们使用TG3000与HP8566A / B的频带0时,内部SG将设置为3621.4MHz。但是由于示例DUT内有232.6MHz的LO的混频器,我们必须对此进行补偿,否则我们的TG3000输出信号将不正确。解决方案是将内部SG偏移-232.6Mhz,因此SG频率变为3388.8MHz。在该DUT特定内部频率偏移的情况下,这将使TG输出处于正确的频率。这里我们需要通过USB端口连接PC,为TG3000内部SG的频率进行编程。

照片4和5分别显示了254MHz SAW BPF和21.4Mhz BPF的频率响应。这两个无源器件是由TG3000 / HP8566分别测量的。照片6显示了使用具有上述SG偏移量TG3000测试的完整下变频器响应。二者的组合响应显示了 254MHz滤波器的宽带频响轮廓是如何在添加到21.4MHz的频率响应特性结果上的。

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图7:TG3000 / HP8566A / B扫描的下变频器DUT

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照片4:21.4MHz带通滤波器响应,采用TG3000 / HP 8566A / B Band0,SPAN = 20MHz

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照片5:254MHz带通滤波器响应采用TG3000 / HP 8566A / B Band0,SPAN = 20MHz

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照片6:使用TG3000 / HP 8566A / B Band0扫描的254MHz和21.4 MHz BPF 21.4MHz的组合响应,应用于SG的OFFSET为-232.6MHz。SPAN=20MHz

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