细说频谱分析仪那些事(四)-频谱分析仪的非线性特性研究(一)

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Update time : 2026-05-19

　　前言

　　有着“射频万用表”之称的频谱分析仪是一种应用非常广泛的射频和微波基础测量仪器。经常被用于放大器/发射机的谐波和杂散测量、无源器件的互调测量等，而在空中电磁环境测量中，频谱分析仪更是担当了重要的角色。

　　频谱分析仪自身具有非线性特性，当输入端存在大信号时，频谱分析仪自身会产生谐波和互调，这些信号是测试者所不需要的，在很多场合，它们并不仅仅是测试误差的问题，而将直接导致最终测试结果的可信度。

　　在本文中，通过一个实验验证了上述现象的存在，并例举了一些在实际测试中可能遇到的问题及相应的解决方案。

　　实验原理

　　实验验证系统如图1所示。首先我们假设F2是测试者所关心的被测信号，比如说是一个放大器的谐波或者空中的某个频谱信号，这个信号通过开关SW1的J2端和SW2的J2端直通后，被直接送入频谱分析仪进行测试，在这种情况下，频谱分析仪可以准确测量被测信号的各种属性。

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。

　　实验方法和结果

　　我们按照图1的实验原理连接测试系统。其中开关采用了BXT超长寿命的SW18L-2SPDT-N型微波校准开关(图2)，这种可工作到18GHz的开关具有很好的可重复性和通道平衡度，过亿次的开关寿命可胜任海量数据的测试工作。开关可以本地手动控制，也可以通过软件自动控制，可以组成单刀双掷(SPDT)、双刀双掷(DPDT)和单刀三掷(SP3T)等三种电路形式。

　　F1滤波器采用了BXT的BPF925960型腔体带通滤波器，这种滤波器具有高达100dB的二次谐波抑制功能，保证进入频谱分析仪的F1的纯净度。定向耦合器的耦合度为30dB。

　　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。

　　图3. 频谱分析仪只有F2信号输入时的频谱图

　　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。