無論是采用模擬IF處理的傳統頻譜儀，還是采用數字IF處理的現代頻譜儀，都是掃頻式架構，通過第一級本振(LO)的調諧實現射頻的掃頻測試。熟悉頻譜儀架構的朋友都了解，在第一級混頻器之前都會存在一個預選器，如圖1所示，這個預選器是個什么器件？具體有什么功能呢？

圖1. 傳統頻譜儀架構示意圖

對于頻譜測試，射頻前端的預選器至關重要，這是實現準確頻譜測試的重要前提！預選器實際上就是一個濾波器，實際應用中，要么是低通濾波器，要么是可調諧帶通濾波器。在低頻頻譜測試時，頻譜儀通常采用低通濾波器作為預選器；而在高頻段，頻譜儀通常采用YIG (Yttrium Iron Garnet，釔鐵石榴石鐵氧體) 濾波器作為預選器。采用YIG技術的帶通濾波器，一方面可以覆蓋到更高頻率(高達50GHz)，另一方面在調諧中心頻率時，濾波器的相對帶寬變化很小，從而保證了頻譜的準確測試。

為什么掃頻式頻譜儀需要預選器呢？

具體原因要從掃頻式頻譜儀的工作原理說起，頻譜儀整個模擬前端可能包含多級混頻器，通常為兩到三級混頻，但是只有第一級混頻器的LO是調諧的，而其它混頻器的LO都是固定的。每一級混頻器之后均包含一個中頻濾波器，這些濾波器的中心頻率是固定的，因此，通過第一級LO的不斷調諧，從而實現了信號的掃描測試，才可以觀測到一定頻率范圍內的頻譜。

為方便起見，無論信號頻率高低，下文統一將頻譜儀輸入的信號稱為RF信號，LO信號是指第一級混頻器的本振信號，IF信號是指第一級混頻器輸出的中頻信號。

簡單介紹一下混頻器：混頻器屬于一個變頻器件，具有RF、LO和IF三個端口，可以實現輸入頻率與LO頻率的和頻輸出，也可以實現對應的差頻輸出。在頻譜儀應用中，混頻器起到下變頻的作用，后一級中頻濾波器將選擇差頻輸出。

當LO頻率固定時，如果使混頻器輸出一定的IF信號，則在混頻器輸入側將存在兩個可能的頻率：f_RF和f_image。這兩個頻率與LO和IF之間的關系如圖2所示，互為鏡像。此處考慮的是高LO注入的情況，即LO頻率大于RF頻率，市面上的頻譜儀基本都采用高LO注入方式。圖1所示的頻譜儀架構中，預選器位于混頻器之前，實際上起到鏡頻抑制的作用。

圖2. 混頻器的鏡頻工作特性

預選器是如何抑制鏡頻的呢？

掃頻式頻譜儀在工作中，預選器對鏡頻的抑制是如何體現的？其實，在頻譜儀輸入側并不一定真的存在鏡頻信號，此處所說的預選器抑制的“鏡頻”是指在LO調諧時的“固有產物”。為了便于理解，下面通過圖解的方式進行詳細說明。

圖3. 當存在RF信號時，LO在兩個調諧位置都會產生IF信號

如圖3所示，假設頻譜儀輸入側存在RF信號，當LO調諧至f_LO1時，與RF信號的差頻為IF，因頻譜儀采用高LO注入方式，因此經過計算，頻譜儀“認為”在頻率為(f_LO1 – IF) 的位置存在一個信號，這就造成了圖中所示的虛假信號。

當LO繼續調諧至f_LO2時，與RF信號的差頻也是IF，那么此時頻譜儀“認為”在頻率為(f_LO2 – IF) 的位置也存在一個信號，而這個信號就是真實的RF信號。

虛假信號與真實信號互為鏡頻，二者頻率之差為2倍的IF頻率。假如頻譜儀的射頻前端沒有預選器，則測試類似于圖3這種信號時，頻譜上將出現兩根譜線，但只有一個是真實的。這樣會擾亂頻譜的測試，所以頻譜儀才會引入預選器。

YIG預選器為一窄帶帶通濾波器，位于Mixer之前，預選器的中心頻率與LO頻率同步掃描，二者之差為IF頻率，只有通過預選器的信號才會與LO混頻，因此可以避免產生LO調諧過程中虛假的鏡頻分量。

圖4在上述例子基礎之上引入了預選器，即使LO調諧至f_LO1，也不會產生虛假信號，因為此時沒有信號通過預選器，而RF信號位于預選器帶外，已經被充分抑制！當LO進一步調諧至f_LO2，RF信號剛好位于預選器的中心頻率處，此時LO與RF的差頻剛好為IF，于是經過計算，頻譜儀“認為”信號的頻率就是(f_LO2 – IF)，這就是真實的信號。

由此可見，預選器對于準確測試頻譜是非常有必要的！

圖4. 在混頻之前引入預選器可以有效防止鏡頻效應

頻譜儀什么情況下會采用低通濾波器作為預選器呢？

假如將頻譜儀的掃頻范圍設置為100kHz到10GHz，高達十幾倍頻程，采用可調諧的帶通濾波器當作預選器是非常不現實的，即使可以設計出這種預選器，也無法解決相對帶寬隨中心頻率升高而變大的問題。

對于這種情況，可以一改傳統情況，采用高IF頻率方案，即IF信號頻率大于RF信號頻率，此時也要求采用更高的LO頻率。這種情況下，鏡頻將遠離信號，使用一個低通濾波器即可輕松抑制鏡頻。

圖5分別給出了LO的調諧范圍，以及RF信號和對應鏡頻信號的掃頻范圍，這三個范圍相同，就是頻率測試范圍Span。頻譜儀選取的IF信號頻率遠遠大于RF信號頻率，這使得鏡頻遠離RF信號。

假如沒有預選器，當LO調諧至f_LO,start，若在f_RF,start處沒有信號而在f_Image,start處存在一個信號，則下變頻后也會落在IF頻率上，這將使得頻譜儀“誤判”在f_RF,start處存在信號。

類似于YIG預選器，引入低通濾波器充當預選器后，只有通過預選器的信號才可以參與混頻，從而解決了鏡頻信號干擾測試的問題！

圖5. 采用低通濾波器作為預選器以應對低頻信號頻譜的測試

現實情況是，高頻頻譜儀通常都會采用這兩種類型的預選器，各有各適用的情況，存在一個頻率分界點，低于該頻率將采用低通濾波器作為預選器，而高于該頻率則會采用YIG預選器。頻譜測試時，如果span橫跨了這個頻率分界點，則會自動進行預選器的切換選擇。

預選器對于寬帶信號分析有何影響？

基于頻譜儀的寬帶信號分析越來越多，5G NR、衛星通信及雷達信號分析等都需要比較高的分析帶寬。而預選器的存在，則可能會影響寬帶信號的分析。如果載波頻率比較低，采用低通濾波型預選器，將不會限制分析帶寬，因為這種預選器帶寬很大。而如果載波頻率較高，將會采用YIG預選器，這種可調諧式濾波器的帶寬很小，只有幾十MHz，當信號帶寬超過預選器帶寬時，將會限制寬帶信號的分析。

鑒于這種情況，一般在進行寬帶信號分析時，頻譜儀會自動bypass YIG預選器。

小結

本文詳細介紹了預選器對于掃頻式頻譜儀的重要性，通過舉例、圖解方式說明了為什么需要預選器以及預選器是如何工作的。預選器對于基本的頻譜分析是非常必要的，但是對于寬帶信號分析卻可能是一種限制，業界頻譜儀一般都會引入bypass機制，從而避免預選器對寬帶信號分析的限制。

小文雖短但不乏精華，希望大家持續關注“微波射頻網”，后續精彩不斷~