AV3984微波噪声系数分析仪的工作原理解析

AV3984微波噪声系数分析仪整机采用宽带跟踪预选、宽带低噪声微波放大、低相噪合成本振、宽带微波集成器件、数字中频处理与滤波、嵌入式PC硬件平台、Windows2000软件平台、中文操作界面等关键部件与关键技术，这些都融入我们独特的设计思想，采用了部分专用接口电路。微波噪声系数分析仪是一台智能化的测试仪器，其基本原理是用Y因子法进行噪声系数测量。微波噪声系数分析仪总体方案如图6-7所示。

图6-7　AV3984微波噪声系数分析仪整机工作原理框图

被测件在噪声源输出噪声信号的激励下，输出端产生的噪声测试信号先经微波机械开关，分为高、低两个频段，其中低波段频率范围为10 MHz～3 GHz，该信号先经抑频镜频及多重响应的低通滤波器滤波，再经程控步进衰减器进行功率电平调整，其输出经低噪声放大器放大后再与第一本振信号（频率扫描范围为：3.9 GHz～7 GHz）混频产生3.912 4 GHz第一中频信号；该信号再与第二本振3.6 GHz信号混频产生321.4 MHz第二中频信号；高波段频率范围为3～26.5 GHz，该信号首先经宽带低噪声程控增益放大器放大，再经YTF跟踪预选滤波器滤波后与第一本振信号（扫描范围为3～6.9 GHz）混频，直接产生第二中频信号321.4 MHz。高、低波段产生的321.4 MHz中频信号经开关切换后，分别与300 MHz的第三本振信号相混频，产生第三中频信号21.4 MHz，中频信号经中频电路处理后，再将信号下变频为6.25 MHz的中频信号，直接进行高速数据采集A/D量化变为数字信号，最后在嵌入式计算机的控制下经宽带数字中频处理滤波计算出被测件的噪声系数和增益，并显示测试曲线。频率合成以参考时基为频率参考，分别合成第一、第二和第三本振锁相环的参考频率，三个本振环路分别根据需要合成各自的本振信号。嵌入式计算机将测量控制步骤程序化和菜单化，并采用智能噪声源技术，自动调入所用噪声源的超噪比，减少人工置入的繁琐性。

1）中频处理技术

中频信号在数字化之前，首先经过一定的模拟电路处理，主要完成信号的低噪声放大；信号带宽、电平调理、信号下变频等几个功能。中频信号处理原理框图如图6-8所示。可以看出21.4 MHz第三中频信号首先经过由二极管组成的电子开关，将信号切换出两路，一路供调试和维修监测用，另一路进入低噪声放大电路。低噪声放大之后，进入信号电平、带宽调理电路。我们知道A/D转换电平具有最佳的线性区域，输入电平必须控制在适当电平，才能保障A/D最佳变换精度。本方案采用多级放大器、滤波器、衰减器来提供中频增益控制和带宽控制即抗混迭滤波；取样频率采用25 MHz，抗混迭滤波器根据尼奎斯特取样定理必须保证对输入信号12.5 MHz以上频率具有很好的抑制。实现过程主要包括两个部分，第一部分用于处理21.4 MHz的信号，第二部分用于处理6.25 MHz的信号。第三中频21.4 MHz虽然为带限信号，对取样频率虽然要求不高，但是较高的频率并没有降低A/D转换器中取样保持电路的实现难度，所以本方案将中频频率进一步降低，通过与55.3 MHz的二分频信号相混频，产生6.25 MHz第四中频信号。

图6-8　中频接收机部分的原理框图

2）参考环技术(www.xing528.com)

参考环（PLL1）将100 MHz的压控晶体振荡器锁在10 MHz精密频率参考上，经分频、倍频后输出10 MHz、100 MHz、300 MHz、600 MHz等信号，为第一本振锁相环小数环提供参考，并为第二、第三变频器提供本振信号。图6-9为本振合成原理框图。

图6-9　本振合成原理框图

参考环要有很好的近端相噪，对环路带宽、压控振荡器的设计要求很高。600 MHz再经128/129分频，产生0～4.66 MHz YTO环的参考信号，YTO环（PLL4）将3～6.82 GHz的YIG振荡器通过高频固定预分频电路和小数分频电路，将频率锁定在0～4.66 MHz，YTO环参数包括：YTO频率、固定分频比、小数分频比。三者关系式为FYTO=4.66 MHz×Nfix×Nfrac。如果YTO频率是已知的，就可以确定小数分频比Nfrac。软件算法是根据测量频率设置，现确定第一本振即FYTO输出频率，再计算小数分频比，实现第一本振的正确输出。由前面的分析知道，SYTX组件将微波信号切换成两路，其中的预选器与YTO同步调谐预选高波段信号，抑制带外和镜频响应；第二变频器组件，包含低波段下变频器、本振倍频器和PIN开关；第一本振YIG调谐振荡器的输出到本振分配放大器，经隔离放大后为混频器、取样器、前面板输出（扩频等用）提供所需的功率。

N为SYTX中谐波混频时，第一本振的谐波次数按调谐方程计算出的测量频率与YTO的频率对应关系如下（表6-1）：

表6-1　YTO的频率对应表

3）关键技术

AV3984是一体化的微波噪声系数分析仪，主要包括集成化射频微波部件，先进的中频处理技术和系统测控软件。整机采用了智能微波同轴噪声源及其定标技术、程控步进衰减器设计制造技术、SYTX设计制造技术，将YTF、混频器和波段开关集成一个组件、宽带微波低噪声放大器技术、本振合成技术、同步扫描/跟踪预选技术、全数字中频技术、嵌入式计算机硬件系统构建技术、嵌入式计算机软件系统设计，采用多个软件功能模块，各模块又由其若干个类和线程来完成，软件平台采用Windows操作系统，具有强大的功能和丰富的外设接口，具有全中文界面、实时在线和声像帮助、局域网和USB接口等，大大提高了整机的性能，使测试不确定度小、测试速度快、智能化程度高、人机界面友好、其综合指标达到世界先进水平，填补了国产高性能微波噪声系数分析仪的空白，也是唯一可以替代Agilent N8975国外高性能微波噪声系数分析仪的国产仪器，可满足绝大多数用户的测试需求，且可成为当今的工业标准。