使用外部波導混頻器測量毫米波頻譜

1、毫米波的定義

毫米波頻段之所以有這個名字，是因為它使用波長在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。高頻信號具有更強的線性，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用，而且近年來在醫療、汽車雷達等其他領域的應用也在不斷發展，預計將得到更廣泛的應用。

2、毫米波信號測量方法

2.1使用諧波混頻器的方法

測量毫米波信號的傳統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，并使用內部生成的諧波波形對其進行頻率轉換。該頻率轉換后的中頻信號（IF）被返回到頻譜分析儀進行分析。

通過使用諧波進行頻率轉換，可以使用與被測毫米波信號相比頻率較低的本振信號進行分析，與其他測量方法相比，可以實現相對經濟高效的系統配置。

但是，這種方法的使用受到限制，因為預選器不能在混頻器的上游使用，不能濾除混頻器的響應。此外，由于該方法使用混頻器諧波響應進行頻率轉換，因此由于轉換率的原因，其轉換損耗很高，需要注意由此導致的測量儀表靈敏度下降。

圖1 諧波混頻器簡圖

2.2使用外部下變頻器和外部LO信號源的方法

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，有專門的信號源來提供LO信號。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信號路徑中添加倍頻器以增加LO信號的頻率。

圖2 下變頻器方法簡圖

當使用外部下變頻器時，可以選擇下變頻器的IF輸出信號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生的不必要響應（雜散響應）的同時來監測信號。

另一方面，對于使用外部下變頻器的測量方法，選擇任意IF信號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信號還需要信號源和倍頻器，這會產生測量成本和操作困難的問題。

此外，由于LO信號路徑中的倍頻器會產生不需要的鏡頻響應，因此必須考慮產生的雜散頻率，需要單獨調節以匹配測量頻率。

2.3使用頻譜分析儀的方法

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

此外，由于這些配置使用預選器，因此對可測量的帶寬有限制。

圖3 頻譜分析儀方法簡圖

2.4使用高性能外部波導混頻器的方法

外部波導混頻器連接方法使用諧波混頻器相同的頻譜分析儀LO信號源。外部波導混頻器使用基波混頻器，因此它有一個內部LO信號倍頻器。IF信號輸入到頻譜分析儀，因為連接與諧波混頻器相同。因此，頻譜分析儀和1.8755 GHz的IF減少了外部波導混頻器產生的雜散分量。此外，頻譜分析儀輸出的5至10 GHz LO信號使諧波倍頻因子保持較低水平，有助于防止劣化轉換損耗。使用外部波導混頻器結合了下變頻器性能的優點和諧波混頻器的易用性。

圖4 高性能外部波導混頻器方案

3、高性能外部波導混頻器方法要求的測量系統性能

3.1動態范圍性能

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

圖5 連續波信號和寬帶信號頻譜密度

3.2雜散性能

使用諧波混頻器的外部下變頻器進行毫米波頻段測量需要注意雜散性能。在這種測量方法中，由于沒有使用預選器，會產生各種雜散，如鏡頻響應。如果用戶在所需頻率范圍內看到雜散，則必須評估它是由測量系統還是由被測設備（DUT）引起的。

此外，為了捕獲寬帶信號，如果在輸入信號附近產生雜散，則可能會擔心所需信號和雜散之間的重疊，如圖6所示。

圖6 連續波信號和寬帶信號雜散性能

4、高性能外部波導混頻器方法中的頻譜分析儀功能需求

4.1雜散產生原理

圖7 混頻器響應和雜散響應原理

當不使用預選器時，最大的雜散是混頻器產生的鏡頻響應。

例如，在60GHz的RF信號和1GHz的IF信號時需要產生59GHz的LO信號。相反，即使LO信號為61GHz，也會產生1GHz的IF信號。頻譜分析儀的工作方式是，在屏幕上顯示LO為59 GHz時的響應為60 GHz頻譜，LO為61 GHz時的響應為62 GHz頻譜。因此，當僅輸入60 GHz信號時，60 GHz和62 GHz信號都會顯示。此時顯示在屏幕上的62GHz信號稱為鏡頻響應。

此外，鏡頻響應并不是唯一的主要雜散。如以下公式所示，混頻器響應是取決于混頻程度的未知量的信號。基于以下公式，由于前面解釋的鏡頻響應示例，所有IF信號響應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（鏡頻響應是混頻器多重響應之一，但由于與所需信號相同，因此被賦予了單獨的名稱）。通常，眾所周知，隨著混頻程度的減小，轉換損耗也會減小，轉換階數越小，不需要的信號電平就越大。

圖8 鏡頻響應和多重響應頻譜示例

4.2信號識別功能

如前所述，沒有預選器的測量會產生不需要的信號。因此，頻譜分析儀需要具有用于識別信號的Signal ID（信號識別）和PS（Polarity Swap極性交換）功能。使用這些功能可以過濾掉由測量系統引起的屏幕上顯示的多余信號和由DUT引起的不需要的信號。

4.2.1信號識別功能

信號識別功能有兩個輔助功能：鏡頻偏移和鏡頻抑制。

兩者都可以通過改變混頻條件來進行測量。當混頻條件改變時，頻率條件也會改變，因此由測量系統引起的屏幕上顯示的信號的頻率會改變，但輸入信號的頻率不會改變。該屬性使得能準確辨別輸入到測量儀表的信號。

雖然鏡頻偏移和鏡頻抑制模式都支持在改變測量條件的情況下進行測量，但與顯示在改變混頻條件下的替代測量結果的鏡頻偏移模式不同，而鏡頻抑制模式在一次測量中僅顯示兩側兩個結果中的較低者。使用鏡頻偏移功能，每次掃描時混頻條件都會發生變化，并且由于測量系統而產生的雜散會改變顯示位置。

圖9-1 信號識別功能設置屏幕

圖9-2 信號識別功能設置屏幕

圖10 使用Signal ID鏡頻偏移功能的監測頻譜示例

圖11 使用Signal ID鏡頻抑制功能的監測頻譜示例

4.2.2 PS(極性交換)功能

使用頻譜分析儀加外部波導混頻器支持獨特的PS功能，用于測量信號時無雜散。PS功能需要預輸入具有已知頻率的信號，以抑制測量系統引起的雜散。它不僅可以用于評估難以使用Signal ID功能測量的信號，還可以捕獲準確的頻譜數據。我們建議使用前面描述的Signal ID功能來捕獲預輸入信號的頻率。

圖12 PS功能設置屏幕

PS功能最大限度地利用了外部波導混頻器的特性。

外部波導混頻器不是使用諧波混頻器來實現所需的動態范圍性能，而是在首先使用LO倍頻器鏈路對LO信號進行倍頻后，使用基波混頻器進行頻率轉換。使用基波混頻器不僅實現了高動態范圍，而且抑制了混頻器產生的響應。因此，根據混頻器響應的極性，產生的雜散可以限制在輸入信號的上側或下側。原則上通過改變混頻器響應的極性來抑制任意頻率的雜散。

例如，當極性為負時（LO信號頻率高于輸入頻率），鏡頻響應出現在比輸入頻率更高的頻率處。相反，當極性為正時（LO信號頻率低于輸入頻率），鏡頻響應出現在比輸入頻率更低的頻率處。因此，測量屏幕中心左側的鏡頻響應為負極性，右側為正極性，鏡頻響應測不到。

PS功能只能與基波混頻器一起使用；使用諧波混頻器時，測量范圍內可能會出現其他響應，因此無法使用PS功能。

圖13 PS功能簡圖

4.2.3 Signal ID和PS功能之間的區別

Signal ID和PS功能相似，因為它們都將測量系統引起的雜散與所需信號分開，但這些功能之間存在幾個差異。充分了解這些功能的效果可以確保使用最佳方法。

Signal ID（鏡頻抑制）功能和PS功能比較

5、高性能外部波導混頻器方法測量實例

5.1 設置

外部波導混頻器連接到頻譜儀的LO輸出端口。

圖14 外部波導混頻器連接圖

5.2 外部波導混頻器功能設置方法

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混頻器時，頻譜儀需要外部混頻器連接功能選件MX284090A。

圖15 外部波導混頻器功能設置圖

使用第三方波導混頻器時

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最佳頻段，用于從匹配每個頻段的頻譜儀提供LO信號，以監測頻譜。

推薦的第三方外部波導混頻器

5.3 信號分析功能

即使使用外部波導混頻器，也可以使用頻譜分析儀測量功能和信號分析儀功能。頻譜分析儀測量功能支持SEM、OBW等測量。此外，可以使用信號分析儀功能分析啁啾信號等。

圖16 SEM測量功能（Measure Function）

圖17 OBW測量功能（Measure Function）

圖18 信號分析儀功能（Spectrum）

圖19 信號分析儀功能（Frequency vs Time）

5.4 相位噪聲測量功能

當相位噪聲測量選件（選件010）安裝在頻譜分析儀中時，可以測量相位噪聲。當使用外部波導混頻器時，也可以使用此功能，簡化毫米波頻段的相位噪聲測量。

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

例如，當使用′8內部倍頻器將Eravant外部波導混頻器STC-N12-15-S1-IDP或使用′12內部倍頻器將VDI外部波導混頻器WR12SAX-Z-M連接到頻譜儀時，相位噪聲分別降低了約18dB和22dB。圖20顯示了75 GHz信號輸入端的相位噪聲測量結果示例。

圖20 相位噪聲測量結果示例（輸入頻率：75 GHz）

6、高性能外部波導混頻器方法測量不確定度及其改善

6.1 阻抗失配

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

6.2  連接誤差

通常，波導用作毫米波信號測量的接口。由于波導結構，連接面通常會有間隙，這可能會降低頻率特性。

6.3  修正功能

頻譜儀的外置混頻器功能應具有以下修正功能。

轉換損耗

轉換損耗是一個獨特的值，具體取決于使用的混頻器。因此，此功能用于通過輸入轉換損耗值來校正屏幕上顯示的頻譜電平。轉換損耗校正功能有兩種模式：固定和表格。當使用外部波導混頻器時，可以使用表格模式。通過加載所使用的外部波導混頻器的轉換損耗數據，可以簡單地校正混頻器的頻率特性。這些數據是從每個外部波導混合器附帶的優盤中自動讀取的。當選擇Fixed模式時，任何設置的轉換損耗都將應用于所有頻率。當選擇Table模式時，通過參考修正表來應用每個頻率的轉換損耗。

圖21 轉換損耗Fixed模式界面

圖22 轉換損耗表格模式界面

電纜損耗

當頻譜儀與外部波導混頻器結合使用時，可以使用上述轉換損耗函數調整轉換損耗參數，但頻譜儀和外部波導混頻器之間的連接電纜可能因使用情況而異。因此，當使用具有已知損耗的連接電纜時，此功能可用于在測量結果中反映已知損耗。

圖23 電纜損耗設置界面

7、結論

本文在簡述各種毫米波頻段信號測量方法的基礎上提出了一種兼顧基波混頻器和諧波混頻器各自優勢的測量毫米波信號的新測量方案，那就是外部波導混頻器+頻譜儀的方案，為了過濾掉雜散信號和提高測量精度，需要頻譜儀增加一些新的功能，比如信號識別、PS功能、修正功能，通過實例驗證了采用安立頻譜儀+推薦的外部波導混頻器方案的可行性，給出了毫米波信號測量的理想解決方案，預計未來將得到廣泛采用。