频谱分析仪使用外部波导混频器测量毫米波频谱

1、毫米波的定义
毫米波频段之所以有这个名字，是因为它使用波长在1到10毫米之间的频率，具体来说，这意味着频率在30 GHz到300 GHz之间。高频信号具有更强的线性，但毫米波频段也具有高方向性。在物理特性方面，毫米波遭受了较大的自由空间衰减损耗，并且受到雨、雾和障碍物的强烈影响。另一方面，与迄今为止使用的较低频段相比，毫米波频段的使用仍然相对较少，这使得可以确保广泛的可用频谱资源。毫米波不仅在无线通信中得到应用，而且近年来在医疗、汽车雷达等其他领域的应用也在不断发展，预计将得到更广泛的应用。
2、毫米波信号测量方法
2.1使用谐波混频器的方法
测量毫米波信号的传统方法是使用外部谐波混频器。谐波混频器从专用频谱分析仪获取本振（LO）信号，并使用内部生成的谐波波形对其进行频率转换。该频率转换后的中频信号（IF）被返回到频谱分析仪进行分析。
通过使用谐波进行频率转换，可以使用与被测毫米波信号相比频率较低的本振信号进行分析，与其他测量方法相比，可以实现相对经济高效的系统配置。
但是，这种方法的使用受到限制，因为预选器不能在混频器的上游使用，不能滤除混频器的响应。此外，由于该方法使用混频器谐波响应进行频率转换，因此由于转换率的原因，其转换损耗很高，需要注意由此导致的测量仪表灵敏度下降。

图1谐波混频器简图
2.2使用外部下变频器和外部LO信号源的方法
在使用外部下变频器的方法中，下变频器位于频谱分析仪的上游，有专门的信号源来提供LO信号。下变频器使用的混频器是基波混频器，而不是谐波混频器。因此，在LO信号路径中添加倍频器以增加LO信号的频率。

图2下变频器方法简图
当使用外部下变频器时，可以选择下变频器的IF输出信号作为下游连接的频谱分析仪的频率输入。因此，可以减少外部下变频器产生的不必要响应（杂散响应）的同时来监测信号。
另一方面，对于使用外部下变频器的测量方法，选择任意IF信号不仅需要校正外部下变频器的频率特性，还需要校正连接到下游频谱分析仪的电缆的频率特性。除了用于下变频器的混频器外，LO信号还需要信号源和倍频器，这会产生测量成本和操作困难的问题。
此外，由于LO信号路径中的倍频器会产生不需要的镜频响应，因此必须考虑产生的杂散频率，需要单独调节以匹配测量频率。
2.3使用频谱分析仪的方法
频谱分析仪具有内置预选器，用于消除混频器产生的不需要的响应。支持毫米波频段的频谱分析仪也已经陆续出现。但是，由于频谱分析仪内部噪声系数（NF）随着频率的升高而增加，因此难以获得所需的测量灵敏度。此外，使用同轴连接器代替波导会导致处理具有高连接损耗和降低测量灵敏度的连接器的问题。
此外，由于这些配置使用预选器，因此对可测量的带宽有限制。

图3频谱分析仪方法简图
2.4使用高性能外部波导混频器的方法
外部波导混频器连接方法使用谐波混频器相同的频谱分析仪LO信号源。外部波导混频器使用基波混频器，因此它有一个内部LO信号倍频器。IF信号输入到频谱分析仪，因为连接与谐波混频器相同。因此，频谱分析仪和1.8755 GHz的IF减少了外部波导混频器产生的杂散分量。此外，频谱分析仪输出的5至10 GHz LO信号使谐波倍频因子保持较低水平，有助于防止劣化转换损耗。使用外部波导混频器结合了下变频器性能的优点和谐波混频器的易用性。

图4高性能外部波导混频器方案
3、高性能外部波导混频器方法要求的测量系统性能
3.1动态范围性能
捕获宽带毫米波频段信号需要比其他应用更好的动态范围性能。例如，如果我们考虑带宽为2 GHz的-10 dBm信号，归一化信号频谱密度为-103 dBm/Hz（-10 dBm-10*log（2 GHz）= -103 dBm/Hz）。这种信号的精确测量需要一个高灵敏度的测量仪表，其电平要低于-103dBm。

图5连续波信号和宽带信号频谱密度
3.2杂散性能
使用谐波混频器的外部下变频器进行毫米波频段测量需要注意杂散性能。在这种测量方法中，由于没有使用预选器，会产生各种杂散，如镜频响应。如果用户在所需频率范围内看到杂散，则必须评估它是由测量系统还是由被测设备（DUT）引起的。
此外，为了捕获宽带信号，如果在输入信号附近产生杂散，则可能会担心所需信号和杂散之间的重叠，如图6所示。

图6连续波信号和宽带信号杂散性能
4、高性能外部波导混频器方法中的频谱分析仪功能需求
4.1杂散产生原理

图7混频器响应和杂散响应原理
当不使用预选器时，最大的杂散是混频器产生的镜频响应。
例如，在60GHz的RF信号和1GHz的IF信号时需要产生59GHz的LO信号。相反，即使LO信号为61GHz，也会产生1GHz的IF信号。频谱分析仪的工作方式是，在屏幕上显示LO为59 GHz时的响应为60 GHz频谱，LO为61 GHz时的响应为62 GHz频谱。因此，当仅输入60 GHz信号时，60 GHz和62 GHz信号都会显示。此时显示在屏幕上的62GHz信号称为镜频响应。
此外，镜频响应并不是唯一的主要杂散。如以下公式所示，混频器响应是取决于混频程度的未知量的信号。基于以下公式，由于前面解释的镜频响应示例，所有IF信号响应在频谱分析仪屏幕上显示为杂散。
IF=m×RF±n×LO
这种杂散称为混频器多重响应（镜频响应是混频器多重响应之一，但由于与所需信号相同，因此被赋予了单独的名称）。通常，众所周知，随着混频程度的减小，转换损耗也会减小，转换阶数越小，不需要的信号电平就越大。

图8镜频响应和多重响应频谱示例
4.2信号识别功能
如前所述，没有预选器的测量会产生不需要的信号。因此，频谱分析仪需要具有用于识别信号的Signal ID（信号识别）和PS（Polarity Swap极性交换）功能。使用这些功能可以过滤掉由测量系统引起的屏幕上显示的多余信号和由DUT引起的不需要的信号。
4.2.1信号识别功能
信号识别功能有两个辅助功能：镜频偏移和镜频抑制。
两者都可以通过改变混频条件来进行测量。当混频条件改变时，频率条件也会改变，因此由测量系统引起的屏幕上显示的信号的频率会改变，但输入信号的频率不会改变。该属性使得能准确辨别输入到测量仪表的信号。
虽然镜频偏移和镜频抑制模式都支持在改变测量条件的情况下进行测量，但与显示在改变混频条件下的替代测量结果的镜频偏移模式不同，而镜频抑制模式在一次测量中仅显示两侧两个结果中的较低者。使用镜频偏移功能，每次扫描时混频条件都会发生变化，并且由于测量系统而产生的杂散会改变显示位置。

图9-1信号识别功能设置屏幕

图9-2信号识别功能设置屏幕

图10使用Signal ID镜频偏移功能的监测频谱示例

图11使用Signal ID镜频抑制功能的监测频谱示例

4.2.2PS(极性交换)功能

使用频谱分析仪加外部波导混频器支持独特的PS功能，用于测量信号时无杂散。PS功能需要预输入具有已知频率的信号，以抑制测量系统引起的杂散。它不仅可以用于评估难以使用Signal ID功能测量的信号，还可以捕获准确的频谱数据。我们建议使用前面描述的Signal ID功能来捕获预输入信号的频率。

图12 PS功能设置屏幕

PS功能最大限度地利用了外部波导混频器的特性。

外部波导混频器不是使用谐波混频器来实现所需的动态范围性能，而是在首先使用LO倍频器链路对LO信号进行倍频后，使用基波混频器进行频率转换。使用基波混频器不仅实现了高动态范围，而且抑制了混频器产生的响应。因此，根据混频器响应的极性，产生的杂散可以限制在输入信号的上侧或下侧。原则上通过改变混频器响应的极性来抑制任意频率的杂散。

例如，当极性为负时（LO信号频率高于输入频率），镜频响应出现在比输入频率更高的频率处。相反，当极性为正时（LO信号频率低于输入频率），镜频响应出现在比输入频率更低的频率处。因此，测量屏幕中心左侧的镜频响应为负极性，右侧为正极性，镜频响应测不到。

PS功能只能与基波混频器一起使用；使用谐波混频器时，测量范围内可能会出现其他响应，因此无法使用PS功能。

4.2.3Signal ID和PS功能之间的区别

Signal ID和PS功能相似，因为它们都将测量系统引起的杂散与所需信号分开，但这些功能之间存在几个差异。充分了解这些功能的效果可以确保使用最佳方法。

Signal ID（镜频抑制）功能和PS功能比较
Signal ID（镜频抑制）功能 PS功能
优点 通过改变测量的混频条件，可以区分测量系统引起的杂散 由于原则上可以抑制杂散，因此可以测量随时间波动的信号（例如啁啾）。
缺点 当测量随时间波动的信号时，有时峰值电平会下降或消失，因为使用了最小保持处理。
对于CW信号，虽然可以隔离杂散，但在有宽带信号的情况下，当改变混频条件时，信号可能会重叠。 会显示原则上无法抑制的杂散。
*有时会显示约-50 dBc的高阶杂散。

5、高性能外部波导混频器方法测量实例
5.1设置
外部波导混频器连接到频谱仪的LO输出端口。

5.2外部波导混频器功能设置方法
通过使用Frequency键第二页的External Mixer: On/Off键启用频谱分析仪的外部混频器功能。启用外部混频器功能后，使用第三方外部波导混频器时，频谱仪需要外部混频器连接功能选件MX284090A。
使用第三方波导混频器时

启用External Mixer功能后，启用3rd Party Mixer: (On/Off)功能。然后，选择与混频器匹配的最佳频段，用于从匹配每个频段的频谱仪提供LO信号，以监测频谱。

推荐的第三方外部波导混频器

制造商 型号 名称
Eravant STC-N12-15-S1-IDP V波段全波导下变频器
VDI WR12SAX-Z-M 频谱分析仪扩展器（SAX）

5.3信号分析功能
即使使用外部波导混频器，也可以使用频谱分析仪测量功能和信号分析仪功能。频谱分析仪测量功能支持SEM、OBW等测量。此外，可以使用信号分析仪功能分析啁啾信号等。

5.4相位噪声测量功能
当相位噪声测量选件（选件010）安装在频谱分析仪中时，可以测量相位噪声。当使用外部波导混频器时，也可以使用此功能，简化毫米波频段的相位噪声测量。

在1 GHz的中心频率下，频谱仪相位噪声功能在10 kHz偏移时支持-123 dBc/Hz的性能，在100 kHz偏移时则支持-123 dB c/Hz的性能。然而，在使用外部波导混频器进行相位噪声测量时，性能会下降20*log（倍频系数）[dB]，具体取决于每个型号中的倍频器电路配置。

例如，当使用´8内部倍频器将Eravant外部波导混频器STC-N12-15-S1-IDP或使用´12内部倍频器将VDI外部波导混频器WR12SAX-Z-M连接到频谱仪时，相位噪声分别降低了约18dB和22dB。

6、高性能外部波导混频器方法测量不确定度及其改善
6.1阻抗失配
如果外部波导混频器射频端口的RL性能＜15 dB，这会降低由于阻抗失配引起的测量不确定性。

6.2 连接误差
通常，波导用作毫米波信号测量的接口。由于波导结构，连接面通常会有间隙，这可能会降低频率特性。

6.3 修正功能
频谱仪的外置混频器功能应具有以下修正功能。
转换损耗

转换损耗是一个独特的值，具体取决于使用的混频器。因此，此功能用于通过输入转换损耗值来校正屏幕上显示的频谱电平。转换损耗校正功能有两种模式：固定和表格。当使用外部波导混频器时，可以使用表格模式。通过加载所使用的外部波导混频器的转换损耗数据，可以简单地校正混频器的频率特性。这些数据是从每个外部波导混合器附带的优盘中自动读取的。当选择Fixed模式时，任何设置的转换损耗都将应用于所有频率。当选择Table模式时，通过参考修正表来应用每个频率的转换损耗。
电缆损耗

当频谱仪与外部波导混频器结合使用时，可以使用上述转换损耗函数调整转换损耗参数，但频谱仪和外部波导混频器之间的连接电缆可能因使用情况而异。因此，当使用具有已知损耗的连接电缆时，此功能可用于在测量结果中反映已知损耗。

7、结论
本文在简述各种毫米波频段信号测量方法的基础上提出了一种兼顾基波混频器和谐波混频器各自优势的测量毫米波信号的新测量方案，那就是外部波导混频器+频谱仪的方案，为了过滤掉杂散信号和提高测量精度，需要频谱仪增加一些新的功能，比如信号识别、PS功能、修正功能，通过实例验证了采用安立频谱仪+推荐的外部波导混频器方案的可行性，给出了毫米波信号测量的理想解决方案，预计未来将得到广泛采用。

审核编辑 黄宇