
图1. 频谱分析仪的非线性特性研究(一)现在我们模拟另外一种情况,即在测试环境存在一个干扰信号F1。为了分析问题方便期间,将F1设置为其二次倍频靠近F2附近,也可以使2×F1=F2。将开关SW1切换至J1,SW2切换至J1,在这个通路上,被测信号通过定向耦合器的直通端仍然被直接送至频谱分析仪,而干扰信号F1从定向耦合器的耦合端也被同时加到频谱分析仪,这样在频谱分析仪的输入端同时存在F2和F1二个信号,在实际测试中,此类情况很常见。注意在F1信号源的输出端,接有一个F1的带通滤波器,这是为了确保信号源的二次谐波2×F1不会进入频谱分析仪,以保证测试结果的准确性。因为这个2×F1和频谱分析仪自身所产生的2×F1不是一回事。我们所希望看到的实验结果是,当频谱分析仪输入端同时存在测试者所关心的F2信号和干扰信号F1时,由于频谱分析仪存在非线性特性,最终在频谱分析仪上会出现二个信号:
1) 被测信号F2;
2) 由于F1进入频谱分析仪后,由频谱分析仪所产生的二次谐波2×F1。
当F2和2×F1接近时,会给测试者产生错觉,不知道哪个是被测信号,哪个是频谱分析仪所产生的谐波;而当F2=2×F1时,二个信号会产生矢量叠加而导致测试误差。


图2b). 软件界面
图2. SW18L-2SPDT-N型寿命过亿次的校准开关
将F2设为1870.05MHz,幅度为-70dBm;将F1设为935MHz,幅度为+13dBm,经过定向耦合器后进入频谱分析仪的幅度为-17dBm。
当开关位于SW1的J2端和SW2的J2端,F2通过射频电缆直接进入频谱分析仪,可以观察到一个纯净的F2信号(图3),其频率为1870.0476MHz,幅度为-76.07dBm。
将开关切换至SW1的J1和SW2的J1,此时频谱分析仪出现了二个信号(图4b),显然,M1所标识的仍然是被测信号(1870.048MHz,-76.66dBm),而位于M1左侧的那个M2(1869.9981MHz,-89.05dBm)刚好是F1(图4a,934.9988MHz,-22.62dBm)的二次倍频。
这种现象验证了我们最初的设想,即频谱分析仪由于自身存在非线性特性,会产生谐波,图4b中的M2就是我们常说的“假信号”。
在实际测试中,当频谱分析仪显示出图4b这样的频谱图时,测试者往往并不知道其中一个是所关心的信号,而另外一个是假信号!即使是由软件控制的自动化测试,要辨别出哪个是假信号,恐怕也要预先设定好各种可能的条件,在实际测试中这么做并不现实。
为了进一步验证,我们进行了下一步实验——在频谱分析仪输入端加一个带通滤波器后再观察频谱图。
图4b频谱分析仪的非线性特性

图5. 频谱分析仪的非线性特性研究(二)参照图5,与图1相比的不同之处仅仅是在频谱分析仪的输入端加了一个带通滤波器,其通带包括了F2和2×F1,而F1位于滤波器的阻带。重复图4b的实验,我们发现M2(2×F1)消失了(图6)!这说明当F1被滤除后,进入频谱分析仪的只有被测信号(F2,1870.048MHz,-77.89dBm),频谱分析仪由于F1所产生的假信号不存在了。这个结果不但验证了我们最初的设想,同时也提出了消除假信号的解决方案——滤波器。

图6用滤波器消除频谱分析仪的假信号响应

图7放大器的谐波测量电磁环境测量
图8所示的电磁环境测量系统沿用了图5中所描述的方法。在这里,开关和滤波器被加以巧妙的利用,通过二个通道的比较,可以准确判别测到的信号是来自空中还是频谱分析仪自身的谐波。
这种方法还可以用于无人值守的无线电固定监测站,通过计算机可以远程控制开关的动作,并观察频谱分析仪或接收机的信号变化。