超外差式频谱分析仪的调谐方程简介

把频谱分析仪的RF输入信号调谐至所希望的频率范围称为调谐。调谐方程是中频滤波器的中心频率、本振频率范围和低通滤波器加到混频器的输入信号频率范围的函数。在混频器输出的所有频率成分中，有两个频率分量的幅度最大，也就是我们关心的本振信号与输入信号的和频和差频。若调谐参数合适，那么待测信号的频率比本振频率高一个中频频率或者是低一个中频频率。在混频器的输出分量中，若有其中一个频率分量落在中频滤波器的频段之内，则检波器对该频率分量进行检波，其幅度响应在CRT上显示，并测得信号响应。

选择本振频率和中频频率，以便频谱分析仪能调谐到所希望的频率范围，假定希望调谐的范围是0～3 GHz；然后选择中频频率，这里选1 GHz，这个频率在希望调谐的范围内，也就是输入信号包含了1 GHz的频率分量。由于混频器输出包含了源输入信号，1 GHz输入信号直接通过系统，幅度响应在CRT上显示而与本振调谐无关，因此1 GHz中频不能工作。

假定希望调谐的频率范围是fL～fH，那么中频频率必须选择在最高信号频率fH之上。如果选择的中频频率在fL～fH之间，则输入信号中，频率等于中频频率的信号成分会直接通过系统。

设微波频谱分析仪的RF信号输入的频率范围是fL～fH，那么本振的调谐范围应该是从fIF+fL开始，向上调谐一直到fIF+fH，这样本振频率与中频频率之差就会覆盖所要求的输入频率范围。超外差式频谱分析仪的调谐方程为：

式中：fsig——输入信号频率；

fLO——本振信号频率；

fIF——滤波器的中心频率。

利用式（4-19）可确定频谱分析仪调谐到低频、中频和高频信号时的本振频率，式（4-19）的调谐方程可以重写为：

若输入信号的低频、中频和高频频率分别为1 kHz、1.5 GHz和3 GHz，中频滤波器的中心频率为3.9 GHz，则由频谱分析仪调谐方程确定的本振频率为：

图4-15　频谱分析仪的调谐

图4-15举例说明了频谱分析仪的调谐。在这个图中，如果本振频率不够高，以使混频器输出的fLO-fsig信号没有落在中频带宽内，那么频谱分析仪的CRT上没有响应。如果调整斜波产生器，把本振调谐到更高频率，使混频器的输出落在中频带宽内，那么频谱分析仪的CRT就可以测量输入信号的响应了。

由于频谱分析仪的斜波产生器不仅能控制频谱分析仪的CRT显示迹线的水平轴位置，而且能控制本振频率，因此我们可以按照输入信号频率校准水平轴，使水平轴线性显示信号输入频率。

超外差式频谱分析仪在调谐过程中，还可能出现另外一种情况。例如，输入信号的频率是8.2 GHz，本振调谐范围是3.9 GHz～7.0 GHz，当本振频率是4.3 GHz时，它和输入信号的频率8.2 GHz正好相差3.9 GHz等于中频信号，也就是说，此时混频器的输出等于中频，这时频谱分析仪就可以测量此信号的响应曲线了。换言之，此时频谱分析仪的调谐方程为：

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由此方程可知，频谱分析仪的调谐范围是7.8 GHz～10.9 GHz，但是频谱分析仪的低通滤波器阻止高频信号通过，只允许通过信号到达混频器，如前所述，频谱分析仪也不允许等于中频的信号进入混频器，也就是说，频谱分析仪的低通滤波器在3.9 GHz和7.8 GHz～10.9 GHz的范围内，对信号有足够的衰减。

总而言之，对于单频段的RF频谱分析仪来说，我们可以选择中频频率在频谱分析仪调谐范围内的最高频率之上，使本振频率fLO从中频加下限信号频率调谐到中频加上限频率，混频器前面的低通滤波器阻止高频进入混频器，只允许中频以下的信号通过。

为了分辨出频率很近的信号，一些频谱分析仪的中频带宽窄到1 kHz，有些窄到10 Hz，甚至窄到1 Hz，3.9 GHz的中心频率要实现这么窄的滤波器是很困难的，所以必须要增加混频器的级数，将第一级中频一直向下变换到最后中频，一般需要二级到四级混频。图4-16所示为三级混频的频谱分析仪结构简图。

图4-16　三级混频的频谱分析仪结构简图

由图4-16可以得出：

由上式得到三级混频的频谱分析仪的调谐方程为：

式中：fsig——输入信号频率；

fLO1——第一本振频率；

fLO2——第二本振频率；

fLO3——第三本振频率；

fIF1——第一级中频滤波器的中心频率；

fIF2——第二级中频滤波器的中心频率；

fIF3——最后一级中频滤波器的中心频率。

大多数频谱分析仪允许本振频率很低，甚至比第一中频还低。由于在本振和混频器中频部分之间的隔离是有限的，因此混频器的输出中有本振信号。当本振信号等于中频时，本振信号会被系统处理，从而在显示器上显示信号响应，这个响应称为本振直通，通常可用0 Hz频率标志。