测谐波时,频谱仪为什么会自己“造”出谐波?
测PA、振荡器或者时钟输出时,频谱仪上看到一个很漂亮的基波,旁边2Fo、3Fo也都有峰。
于是马上记结果:二次谐波−45dBc,三次−52dBc。
但如果基波本身很强,这两个峰不一定全是DUT产生的。
频谱仪内部也有Mixer、放大器、ADC。它自己进入非线性以后,一样会“造”谐波。
信号进入频谱仪以后,通常先经过输入Attenuator,再进入Mixer和后级IF/ADC链路。
前端能承受多强的信号,有自己的线性范围。
如果送到Mixer的基波太大,内部器件开始非线性,输入只有Fo,分析仪内部也可能产生2Fo、3Fo。
最后屏幕上显示的谐波,就变成“DUT真实谐波 + 仪器自己产生的失真”的叠加。
图1:谐波失真测量要同时关注基波与2Fo、3Fo等高次分量。
这个动作特别实用。
如果你把频谱仪输入衰减从10dB加到20dB,基波经过仪器校正后显示值基本不变,而某个谐波相对基波明显下降,那就要怀疑这个谐波里混进了仪器自身失真。
原因很简单:增加前端衰减以后,进入Mixer的实际电平下降,Mixer工作得更线性,内部产生的谐波就会变小。
Rohde & Schwarz的仪器说明里也专门把Auto Low Distortion模式和输入衰减联系在一起:更大的前端衰减可以避免内部互调和失真,只是代价是Noise Floor会升高。
图2:频谱仪动态范围受到Mixer Compression、二阶/三阶失真和Noise Floor共同限制。
输入衰减加大以后,仪器本身更线性了,但灵敏度会变差。
比如你加10dB Attenuation,显示噪底也会大约跟着恶化10dB。
这时本来−70dBc的三次谐波,可能直接埋进Noise Floor。
所以测谐波本质上是在找一个平衡:基波不能强到让Analyzer自己失真,谐波又不能弱到掉进噪底。
这也是频谱仪Dynamic Range真正有用的地方。不是“屏幕能显示多少dB”,而是在同一次测量里,强基波和弱失真之间能拉开多少可信范围。
很多人看到谐波测不清,会先把RBW从100kHz降到10kHz。
对于窄带CW信号,降低RBW会显著降低显示噪底,弱小谐波更容易露出来。
但如果某个离散谐波随着RBW改变出现异常大的幅度变化,就要检查Detector、Sweep、Average以及信号本身是否稳定。
正常情况下,RBW主要改变的是噪声带宽和分辨能力,不应该把一个稳定CW谐波随意改出十几dB。
图3:对强基波与弱谐波同时测量时,要控制输入电平和测试链路,避免仪器自身失真混入结果。
如果DUT基波很强,而你又要看很低的二次、三次谐波,可以在频谱仪前加一个Notch或Low-Pass/High-Pass Filter,先把基波压下去。
这样既减少Analyzer前端被基波压缩的风险,又保留你真正想看的高次谐波。
另外,不要忘了外部衰减器、线缆和滤波器的频率响应。基波和二次、三次谐波频率不同,链路损耗也不同,不能只用一个固定dB数全频段扣掉。
先让Input Attenuation变化一档,确认相对谐波读数基本稳定。
再确认Analyzer没有Overload、Mixer Compression或IF Overrange提示。
把RBW适当收窄,让谐波高于Noise Floor留出足够余量。
如果条件允许,再用外部滤波器压低基波复测一次。
这些结果都能对上,那个谐波值才更像是DUT自己的。
测失真之前,先证明测试仪器自己没有在失真。
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