混频器杂散分量的正确测量

Weston Sapia，RF应用工程师，凌力尔特公司(现隶属于ADI公司)

在混频过程中，混频器在其输出端上产生的并不只是所期望的信号。位于输入和LO频率之整数倍上的其它无用信号也会出现在混频器的所有端口上。这些寄生信号接着又相互混频并离开混频器的输出端口而进入信号链路的其余部分。此类不希望有的输出信号被称为“杂散脉冲”。假如这些杂散脉冲的功率足够高，那就会在射频设计中引发很多问题，例如：发送器中相邻通道的污染、接收器中的灵敏度损失、或期望信号自身的失真。视系统要求的不同，有多种处理此类问题信号的方法。谨慎的频率规划和滤波虽然有助于大幅度减少杂散脉冲的数量，但是它们总是会有。因此，系统设计师必需在混频器输出端上准确地测量杂散电平，以确定怎样用最佳的方式应对它们，这一点是很重要。

测量混频器杂散并不是简单的事。常常有可能盲目地相信某个“测得的”信号来自于有关的混频器，但实际上它却是某种不当测试设置的产物。幸运的是，有一些用于缓解这些测试问题并确保观察到的测量信号仅来自于混频器的方法。图1示出了用于测量混频器杂散分量的正确测试设置。带通滤波器以及衰减器对于尽量减少测试设置对在频谱分析仪上测量杂散脉冲的影响是至关重要的。

图1：用于测量混频器杂散脉冲的正确测试设置

在过度驱动时，频谱分析仪会产生显著的内部失真分量。当施加过大的功率时，内部接收器链路会进入压缩状态，导致所有的非线性杂散分量以一种加速速率(相对于主输入信号)成长，从而人为增加杂散功率的测量值。频谱分析仪通常设计为在其输入端上具有约-30dBm至-40dBm功率电平时达到最佳运作状态。为了满足该功率电平，应采用内部衰减、外部衰减、或此二者的组合来限制提供给仪器的功率。一项旨在检查杂散测量是否正确的测试是增加频谱分析仪之内部衰减设置，并注意杂散脉冲之功率电平的任何变化。如果杂散脉冲的电平变化幅度大于约0.5dB，则频谱分析仪很可能处于过驱动状态，因而给出的杂散电平读数高于实际值。输入衰减的一个良好起点约为20dB至30dB总值、内部和/或外部。图2~5示出了在不断增加频谱分析仪之输入衰减量的情况下测得的连续波(CW)音调。随着衰减电平的增加，实测的功率电平下降，表示仪器原先处于过驱动的状态。

图2：0dB频谱分析仪输入衰减时一个0dBm CW 70MHz音调的三次谐波

图3：10dB频谱分析仪输入衰减时一个0dBm CW 70MHz音调的三次谐波

图4：20dB频谱分析仪输入衰减时一个0dBm CW 70MHz音调的三次谐波

图5：30dB频谱分析仪输入衰减时一个0dBm CW 70MHz音调的三次谐波

在看到对频谱分析仪进行过驱动会产生不正确的杂散测量结果之后，您也许决定简单地用低功率电平驱动该仪器以完全避免上述问题。如果30dB的衰减是合适的，那么100dB的衰减一定更好。要知道，当内部衰减器变更时，频谱分析仪对信号进行归一化处理。令人遗憾的是，如果您希望查看所关注的杂散脉冲，那么这是不可行的。对于所使用的每个dB的输入衰减(内部或外部衰减，情况是相同的)，仪器的噪声层上升1dB，从而缩减了仪器的动态范围，这有可能隐藏一些您恰好正在试图测量的杂散脉冲。请注意：噪声层较高，因此在图5中是很明显的(相比于图2~4)，尽管标度是完全相同的。而且，较高次杂散分量的功率变化与期望的输出信号并不呈线性关系。相反，它们改变功率的幅度是输入功率变化幅度的倍数。二次分量(2*IN x 1*LO，2*IN x 2*LO，2*IN x 3*LO，等等)将改变2dB/dB，三次分量(3*IN x 1*LO，3*IN x 2*LO，3*IN x 3*LO ... 等等)将改变3dB/dB，依此类推。例如，倘若把输入信号功率减少2dB，则在5*IN x 2*LO的杂散电平将降低10dB，而在2*IN x 1*LO的杂散电平则将减低4dB。因此，把过低的信号功率电平置入频谱分析仪无非是迫使您试图测量的所有低功率杂散脉冲进入仪器的噪声层。

错误杂散测量的另一个常见来源是缺少输入信号滤波。对于杂散电平的准确测量而言，使用针对输入信号的滤波器以衰减任何信号发生器谐波分量是至关紧要的。即使是实验室品质的信号发生器也将只拥有-25dBc至-50dBc的谐波抑制水平。凌力尔特混频器输出端上的一些杂散电平将低于-70dBc，所以使用不带滤波器的信号发生器还不够好。为此，应采用谐波抑制水平至少为30dB至50dB的滤波器。图6示出了由Keysight E8257C信号发生器产生的一个100MHz CW音调的输出频谱。请注意基波信号之谐波的功率电平。这些谐波相对水平应当在各种不同的主音调功率电平条件下保持一致。

图6：由Keysight E8257C信号发生器产生的一个100MHz CW音调的谐波杂散脉冲

假如您怀疑输入信号或许将导致杂散脉冲高于预期，那么最好检查一下杂散脉冲相对于输入信号电平的运行状况。如果杂散脉冲是较高次谐波，而且未对信号电平以合适斜率(2dB/dB，3dB/dB...等等)发生的变化做出响应，则很有可能的情况是输入信号源不够干净。

如图所示，测量混频器杂散分量并非总是简单的，但是，通过测试设置的一些小幅调整便可容易地获得更好的结果。设定输入衰减器并针对信号源采用正确的滤波方法将提供准确度高得多和可重复的测量。