1、毫米波的定義

毫米波頻段之所以有這個(gè)名字，是因?yàn)樗褂貌ㄩL在1到10毫米之間的頻率，具體來說，這意味著頻率在30 GHz到300 GHz之間。高頻信號(hào)具有更強(qiáng)的線性，但毫米波頻段也具有高方向性。在物理特性方面，毫米波遭受了較大的自由空間衰減損耗，并且受到雨、霧和障礙物的強(qiáng)烈影響。另一方面，與迄今為止使用的較低頻段相比，毫米波頻段的使用仍然相對(duì)較少，這使得可以確保廣泛的可用頻譜資源。毫米波不僅在無線通信中得到應(yīng)用，而且近年來在醫(yī)療、汽車?yán)走_(dá)等其他領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷發(fā)展，預(yù)計(jì)將得到更廣泛的應(yīng)用。

2、毫米波信號(hào)測(cè)量方法

2.1使用諧波混頻器的方法

測(cè)量毫米波信號(hào)的傳統(tǒng)方法是使用外部諧波混頻器。諧波混頻器從專用頻譜分析儀獲取本振（LO）信號(hào)，并使用內(nèi)部生成的諧波波形對(duì)其進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換。該頻率轉(zhuǎn)換后的中頻信號(hào)（IF）被返回到頻譜分析儀進(jìn)行分析。

通過使用諧波進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，可以使用與被測(cè)毫米波信號(hào)相比頻率較低的本振信號(hào)進(jìn)行分析，與其他測(cè)量方法相比，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)經(jīng)濟(jì)高效的系統(tǒng)配置。

但是，這種方法的使用受到限制，因?yàn)轭A(yù)選器不能在混頻器的上游使用，不能濾除混頻器的響應(yīng)。此外，由于該方法使用混頻器諧波響應(yīng)進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，因此由于轉(zhuǎn)換率的原因，其轉(zhuǎn)換損耗很高，需要注意由此導(dǎo)致的測(cè)量儀表靈敏度下降。

圖1 諧波混頻器簡(jiǎn)圖

2.2使用外部下變頻器和外部LO信號(hào)源的方法

在使用外部下變頻器的方法中，下變頻器位于頻譜分析儀的上游，有專門的信號(hào)源來提供LO信號(hào)。下變頻器使用的混頻器是基波混頻器，而不是諧波混頻器。因此，在LO信號(hào)路徑中添加倍頻器以增加LO信號(hào)的頻率。

圖2 下變頻器方法簡(jiǎn)圖

當(dāng)使用外部下變頻器時(shí)，可以選擇下變頻器的IF輸出信號(hào)作為下游連接的頻譜分析儀的頻率輸入。因此，可以減少外部下變頻器產(chǎn)生的不必要響應(yīng)（雜散響應(yīng)）的同時(shí)來監(jiān)測(cè)信號(hào)。

另一方面，對(duì)于使用外部下變頻器的測(cè)量方法，選擇任意IF信號(hào)不僅需要校正外部下變頻器的頻率特性，還需要校正連接到下游頻譜分析儀的電纜的頻率特性。除了用于下變頻器的混頻器外，LO信號(hào)還需要信號(hào)源和倍頻器，這會(huì)產(chǎn)生測(cè)量成本和操作困難的問題。

此外，由于LO信號(hào)路徑中的倍頻器會(huì)產(chǎn)生不需要的鏡頻響應(yīng)，因此必須考慮產(chǎn)生的雜散頻率，需要單獨(dú)調(diào)節(jié)以匹配測(cè)量頻率。

2.3使用頻譜分析儀的方法

頻譜分析儀具有內(nèi)置預(yù)選器，用于消除混頻器產(chǎn)生的不需要的響應(yīng)。支持毫米波頻段的頻譜分析儀也已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)。但是，由于頻譜分析儀內(nèi)部噪聲系數(shù)（NF）隨著頻率的升高而增加，因此難以獲得所需的測(cè)量靈敏度。此外，使用同軸連接器代替波導(dǎo)會(huì)導(dǎo)致處理具有高連接損耗和降低測(cè)量靈敏度的連接器的問題。

此外，由于這些配置使用預(yù)選器，因此對(duì)可測(cè)量的帶寬有限制。

圖3 頻譜分析儀方法簡(jiǎn)圖

2.4使用高性能外部波導(dǎo)混頻器的方法

外部波導(dǎo)混頻器連接方法使用諧波混頻器相同的頻譜分析儀LO信號(hào)源。外部波導(dǎo)混頻器使用基波混頻器，因此它有一個(gè)內(nèi)部LO信號(hào)倍頻器。IF信號(hào)輸入到頻譜分析儀，因?yàn)檫B接與諧波混頻器相同。因此，頻譜分析儀和1.8755 GHz的IF減少了外部波導(dǎo)混頻器產(chǎn)生的雜散分量。此外，頻譜分析儀輸出的5至10 GHz LO信號(hào)使諧波倍頻因子保持較低水平，有助于防止劣化轉(zhuǎn)換損耗。使用外部波導(dǎo)混頻器結(jié)合了下變頻器性能的優(yōu)點(diǎn)和諧波混頻器的易用性。

圖4 高性能外部波導(dǎo)混頻器方案

3、高性能外部波導(dǎo)混頻器方法要求的測(cè)量系統(tǒng)性能

3.1動(dòng)態(tài)范圍性能

捕獲寬帶毫米波頻段信號(hào)需要比其他應(yīng)用更好的動(dòng)態(tài)范圍性能。例如，如果我們考慮帶寬為2 GHz的-10 dBm信號(hào)，歸一化信號(hào)頻譜密度為-103 dBm/Hz（-10 dBm-10*log（2 GHz）= -103 dBm/Hz）。這種信號(hào)的精確測(cè)量需要一個(gè)高靈敏度的測(cè)量儀表，其電平要低于-103dBm。

圖5 連續(xù)波信號(hào)和寬帶信號(hào)頻譜密度

3.2雜散性能

使用諧波混頻器的外部下變頻器進(jìn)行毫米波頻段測(cè)量需要注意雜散性能。在這種測(cè)量方法中，由于沒有使用預(yù)選器，會(huì)產(chǎn)生各種雜散，如鏡頻響應(yīng)。如果用戶在所需頻率范圍內(nèi)看到雜散，則必須評(píng)估它是由測(cè)量系統(tǒng)還是由被測(cè)設(shè)備（DUT）引起的。

此外，為了捕獲寬帶信號(hào)，如果在輸入信號(hào)附近產(chǎn)生雜散，則可能會(huì)擔(dān)心所需信號(hào)和雜散之間的重疊，如圖6所示。

圖6 連續(xù)波信號(hào)和寬帶信號(hào)雜散性能

4、高性能外部波導(dǎo)混頻器方法中的頻譜分析儀功能需求

4.1雜散產(chǎn)生原理

圖7 混頻器響應(yīng)和雜散響應(yīng)原理

當(dāng)不使用預(yù)選器時(shí)，最大的雜散是混頻器產(chǎn)生的鏡頻響應(yīng)。

例如，在60GHz的RF信號(hào)和1GHz的IF信號(hào)時(shí)需要產(chǎn)生59GHz的LO信號(hào)。相反，即使LO信號(hào)為61GHz，也會(huì)產(chǎn)生1GHz的IF信號(hào)。頻譜分析儀的工作方式是，在屏幕上顯示LO為59 GHz時(shí)的響應(yīng)為60 GHz頻譜，LO為61 GHz時(shí)的響應(yīng)為62 GHz頻譜。因此，當(dāng)僅輸入60 GHz信號(hào)時(shí)，60 GHz和62 GHz信號(hào)都會(huì)顯示。此時(shí)顯示在屏幕上的62GHz信號(hào)稱為鏡頻響應(yīng)。

此外，鏡頻響應(yīng)并不是唯一的主要雜散。如以下公式所示，混頻器響應(yīng)是取決于混頻程度的未知量的信號(hào)。基于以下公式，由于前面解釋的鏡頻響應(yīng)示例，所有IF信號(hào)響應(yīng)在頻譜分析儀屏幕上顯示為雜散。

IF=m×RF±n×LO

這種雜散稱為混頻器多重響應(yīng)（鏡頻響應(yīng)是混頻器多重響應(yīng)之一，但由于與所需信號(hào)相同，因此被賦予了單獨(dú)的名稱）。通常，眾所周知，隨著混頻程度的減小，轉(zhuǎn)換損耗也會(huì)減小，轉(zhuǎn)換階數(shù)越小，不需要的信號(hào)電平就越大。

圖8 鏡頻響應(yīng)和多重響應(yīng)頻譜示例

4.2信號(hào)識(shí)別功能

如前所述，沒有預(yù)選器的測(cè)量會(huì)產(chǎn)生不需要的信號(hào)。因此，頻譜分析儀需要具有用于識(shí)別信號(hào)的Signal ID（信號(hào)識(shí)別）和PS（Polarity Swap極性交換）功能。使用這些功能可以過濾掉由測(cè)量系統(tǒng)引起的屏幕上顯示的多余信號(hào)和由DUT引起的不需要的信號(hào)。

4.2.1信號(hào)識(shí)別功能

信號(hào)識(shí)別功能有兩個(gè)輔助功能：鏡頻偏移和鏡頻抑制。

兩者都可以通過改變混頻條件來進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)混頻條件改變時(shí)，頻率條件也會(huì)改變，因此由測(cè)量系統(tǒng)引起的屏幕上顯示的信號(hào)的頻率會(huì)改變，但輸入信號(hào)的頻率不會(huì)改變。該屬性使得能準(zhǔn)確辨別輸入到測(cè)量儀表的信號(hào)。

雖然鏡頻偏移和鏡頻抑制模式都支持在改變測(cè)量條件的情況下進(jìn)行測(cè)量，但與顯示在改變混頻條件下的替代測(cè)量結(jié)果的鏡頻偏移模式不同，而鏡頻抑制模式在一次測(cè)量中僅顯示兩側(cè)兩個(gè)結(jié)果中的較低者。使用鏡頻偏移功能，每次掃描時(shí)混頻條件都會(huì)發(fā)生變化，并且由于測(cè)量系統(tǒng)而產(chǎn)生的雜散會(huì)改變顯示位置。

圖9-1 信號(hào)識(shí)別功能設(shè)置屏幕

圖9-2 信號(hào)識(shí)別功能設(shè)置屏幕

圖10 使用Signal ID鏡頻偏移功能的監(jiān)測(cè)頻譜示例

圖11 使用Signal ID鏡頻抑制功能的監(jiān)測(cè)頻譜示例

4.2.2 PS(極性交換)功能

使用頻譜分析儀加外部波導(dǎo)混頻器支持獨(dú)特的PS功能，用于測(cè)量信號(hào)時(shí)無雜散。PS功能需要預(yù)輸入具有已知頻率的信號(hào)，以抑制測(cè)量系統(tǒng)引起的雜散。它不僅可以用于評(píng)估難以使用Signal ID功能測(cè)量的信號(hào)，還可以捕獲準(zhǔn)確的頻譜數(shù)據(jù)。我們建議使用前面描述的Signal ID功能來捕獲預(yù)輸入信號(hào)的頻率。

圖12 PS功能設(shè)置屏幕

PS功能最大限度地利用了外部波導(dǎo)混頻器的特性。

外部波導(dǎo)混頻器不是使用諧波混頻器來實(shí)現(xiàn)所需的動(dòng)態(tài)范圍性能，而是在首先使用LO倍頻器鏈路對(duì)LO信號(hào)進(jìn)行倍頻后，使用基波混頻器進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換。使用基波混頻器不僅實(shí)現(xiàn)了高動(dòng)態(tài)范圍，而且抑制了混頻器產(chǎn)生的響應(yīng)。因此，根據(jù)混頻器響應(yīng)的極性，產(chǎn)生的雜散可以限制在輸入信號(hào)的上側(cè)或下側(cè)。原則上通過改變混頻器響應(yīng)的極性來抑制任意頻率的雜散。

例如，當(dāng)極性為負(fù)時(shí)（LO信號(hào)頻率高于輸入頻率），鏡頻響應(yīng)出現(xiàn)在比輸入頻率更高的頻率處。相反，當(dāng)極性為正時(shí)（LO信號(hào)頻率低于輸入頻率），鏡頻響應(yīng)出現(xiàn)在比輸入頻率更低的頻率處。因此，測(cè)量屏幕中心左側(cè)的鏡頻響應(yīng)為負(fù)極性，右側(cè)為正極性，鏡頻響應(yīng)測(cè)不到。

PS功能只能與基波混頻器一起使用；使用諧波混頻器時(shí)，測(cè)量范圍內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)其他響應(yīng)，因此無法使用PS功能。

圖13 PS功能簡(jiǎn)圖

4.2.3 Signal ID和PS功能之間的區(qū)別

Signal ID和PS功能相似，因?yàn)樗鼈兌紝y(cè)量系統(tǒng)引起的雜散與所需信號(hào)分開，但這些功能之間存在幾個(gè)差異。充分了解這些功能的效果可以確保使用**方法。

Signal ID（鏡頻抑制）功能和PS功能比較

5、高性能外部波導(dǎo)混頻器方法測(cè)量實(shí)例

5.1 設(shè)置

外部波導(dǎo)混頻器連接到頻譜儀的LO輸出端口。

5.2 外部波導(dǎo)混頻器功能設(shè)置方法

通過使用Frequency鍵第二頁的External Mixer: On/Off鍵啟用頻譜分析儀的外部混頻器功能。啟用外部混頻器功能后，使用第三方外部波導(dǎo)混頻器時(shí)，頻譜儀需要外部混頻器連接功能選件MX284090A。

圖15 外部波導(dǎo)混頻器功能設(shè)置圖

使用第三方波導(dǎo)混頻器時(shí)

啟用External Mixer功能后，啟用3rd Party Mixer: (On/Off)功能。然后，選擇與混頻器匹配的**頻段，用于從匹配每個(gè)頻段的頻譜儀提供LO信號(hào)，以監(jiān)測(cè)頻譜。

推薦的第三方外部波導(dǎo)混頻器

5.3 信號(hào)分析功能

即使使用外部波導(dǎo)混頻器，也可以使用頻譜分析儀測(cè)量功能和信號(hào)分析儀功能。頻譜分析儀測(cè)量功能支持SEM、OBW等測(cè)量。此外，可以使用信號(hào)分析儀功能分析啁啾信號(hào)等。

圖16 SEM測(cè)量功能（Measure Function）

圖17 OBW測(cè)量功能（Measure Function）

圖18 信號(hào)分析儀功能（Spectrum）

圖19 信號(hào)分析儀功能（Frequency vs Time）

5.4 相位噪聲測(cè)量功能

當(dāng)相位噪聲測(cè)量選件（選件010）安裝在頻譜分析儀中時(shí)，可以測(cè)量相位噪聲。當(dāng)使用外部波導(dǎo)混頻器時(shí)，也可以使用此功能，簡(jiǎn)化毫米波頻段的相位噪聲測(cè)量。

在1 GHz的中心頻率下，頻譜儀相位噪聲功能在10 kHz偏移時(shí)支持-123 dBc/Hz的性能，在100 kHz偏移時(shí)則支持-123 dB c/Hz的性能。然而，在使用外部波導(dǎo)混頻器進(jìn)行相位噪聲測(cè)量時(shí)，性能會(huì)下降20*log（倍頻系數(shù)）[dB]，具體取決于每個(gè)型號(hào)中的倍頻器電路配置。

例如，當(dāng)使用′8內(nèi)部倍頻器將Eravant外部波導(dǎo)混頻器STC-N12-15-S1-IDP或使用′12內(nèi)部倍頻器將VDI外部波導(dǎo)混頻器WR12SAX-Z-M連接到頻譜儀時(shí)，相位噪聲分別降低了約18dB和22dB。圖20顯示了75 GHz信號(hào)輸入端的相位噪聲測(cè)量結(jié)果示例。

圖20 相位噪聲測(cè)量結(jié)果示例（輸入頻率：75 GHz）

6、高性能外部波導(dǎo)混頻器方法測(cè)量不確定度及其改善

6.1 阻抗失配

如果外部波導(dǎo)混頻器射頻端口的RL性能＜15 dB，這會(huì)降低由于阻抗失配引起的測(cè)量不確定性。

6.2  連接誤差

通常，波導(dǎo)用作毫米波信號(hào)測(cè)量的接口。由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，連接面通常會(huì)有間隙，這可能會(huì)降低頻率特性。

6.3  修正功能

頻譜儀的外置混頻器功能應(yīng)具有以下修正功能。

轉(zhuǎn)換損耗

轉(zhuǎn)換損耗是一個(gè)獨(dú)特的值，具體取決于使用的混頻器。因此，此功能用于通過輸入轉(zhuǎn)換損耗值來校正屏幕上顯示的頻譜電平。轉(zhuǎn)換損耗校正功能有兩種模式：固定和表格。當(dāng)使用外部波導(dǎo)混頻器時(shí)，可以使用表格模式。通過加載所使用的外部波導(dǎo)混頻器的轉(zhuǎn)換損耗數(shù)據(jù)，可以簡(jiǎn)單地校正混頻器的頻率特性。這些數(shù)據(jù)是從每個(gè)外部波導(dǎo)混合器附帶的優(yōu)盤中自動(dòng)讀取的。當(dāng)選擇Fixed模式時(shí)，任何設(shè)置的轉(zhuǎn)換損耗都將應(yīng)用于所有頻率。當(dāng)選擇Table模式時(shí)，通過參考修正表來應(yīng)用每個(gè)頻率的轉(zhuǎn)換損耗。

圖21 轉(zhuǎn)換損耗Fixed模式界面

圖22 轉(zhuǎn)換損耗表格模式界面

電纜損耗

當(dāng)頻譜儀與外部波導(dǎo)混頻器結(jié)合使用時(shí)，可以使用上述轉(zhuǎn)換損耗函數(shù)調(diào)整轉(zhuǎn)換損耗參數(shù)，但頻譜儀和外部波導(dǎo)混頻器之間的連接電纜可能因使用情況而異。因此，當(dāng)使用具有已知損耗的連接電纜時(shí)，此功能可用于在測(cè)量結(jié)果中反映已知損耗。

圖23 電纜損耗設(shè)置界面

7、結(jié)論

本文在簡(jiǎn)述各種毫米波頻段信號(hào)測(cè)量方法的基礎(chǔ)上提出了一種兼顧基波混頻器和諧波混頻器各自優(yōu)勢(shì)的測(cè)量毫米波信號(hào)的新測(cè)量方案，那就是外部波導(dǎo)混頻器+頻譜儀的方案，為了過濾掉雜散信號(hào)和提高測(cè)量精度，需要頻譜儀增加一些新的功能，比如信號(hào)識(shí)別、PS功能、修正功能，通過實(shí)例驗(yàn)證了采用安立頻譜儀+推薦的外部波導(dǎo)混頻器方案的可行性，給出了毫米波信號(hào)測(cè)量的理想解決方案，預(yù)計(jì)未來將得到廣泛采用。