Grundlagen der Spektrumanalyse.pdf - Ing. H. Heuermann

Grundlagen der Spektrumanalyse
Praktische Realisierung eines Analysators
Obere und untere Frequenzgrenze dieses Konzepts werden durch die technologisch
bedingten Grenzen des YIG-Filters bestimmt. In der Praxis ist
derzeit eine maximale Frequenz von etwa 40 GHz bis 50 GHz möglich.
Im Beispiel wird die obere Grenze von 7 GHz durch den Abstimmbereich
des Lokaloszillators bestimmt. Zur Umsetzung von Eingangssignalen über
7 GHz mit dem gegebenen LO-Frequenzbereich bestehen wiederum verschiedene
Möglichkeiten:
• Grundwellenmischung
Die Umsetzung erfolgt mit der Grundwelle des LO-Signals. Um einen
höheren Frequenzbereich mit dem gegebenen LO-Frequenzbereich abdecken
zu können, ist hierzu vor dem Mischer die Frequenz des LO-Signals
mit einem Vervielfacher z. B. zu verdoppeln.
• Harmonischenmischung
Die Umsetzung des Eingangssignals erfolgt durch eine Harmonische des
LO-Signals, die im Mischer aufgrund dessen Nichtlinearitäten entsteht.
Um eine geringe Umsetzdämpfung und somit ein geringes Rauschmaß des
Spektrumanalysators zu erzielen, ist die Grundwellenmischung vorzuziehen.
Die dadurch erreichten besseren Eigenschaften erfordern allerdings
einen höheren Aufwand in der Aufbereitung des LO-Signals. Neben Vervielfachern
(22) sind Filter erforderlich, mit denen Sub-Harmonische nach der
Vervielfachung unterdrückt werden können. Die für einen ausreichend hohen
LO-Pegel nötigen Verstärker müssen sehr breitbandig sein, d. h. sie
müssen für einen Frequenzbereich ausgelegt sein, der in etwa dem Eingangsfrequenzbereich
des hochfrequenten Eingangsteils entspricht.
Einfacher in der Realisierung, jedoch mit einer erhöhten Umsetzdämpfung
verbunden, ist die Umsetzung durch Harmonischen-Mischung
(auch als Oberschwellenmischung bezeichnet). Es wird hierfür ein LO-Signal
in einem vergleichsweise niedrigem Frequenzbereich benötigt, das mit
hohem Pegel dem ersten Mischer zugeführt wird. Aufgrund der Nichtlinearitäten
des Mischers entstehen durch den hohen LO-Pegel Harmonische
höherer Ordnung mit ausreichendem Pegel, die zur Umsetzung verwendet
werden. Abhängig von der Ordnung m der LO-Harmonischen erhöht sich
die Umsetzdämpfung des Mischers gegenüber dem Grundwellenmischbetrieb
um
∆a M = 20 · log m (Gl. 4-6)
mit ∆a M Erhöhung der Umsetzdämpfung gegenüber dem Grundwellenmischbetrieb
m Ordnung der LO-Harmonischen, die zur Umsetzung verwendet
wird
Je nach Preisklasse werden in der Praxis beide Konzepte verwendet. Auch
eine Kombination beider Varianten ist möglich, d. h. zur Umsetzung wird
die Harmonische des mit einem Vervielfacher z. B. verdoppelten LO-Signals
verwendet. Somit ist auch ein Kompromiß zwischen vertretbarem Aufwand
und Empfindlichkeit möglich.
Externe Mischer
Für Messungen im Millimeterwellen-Bereich, also über 40 GHz, kann der
Frequenzbereich von Spektrumanalysatoren durch die Verwendung von
externen Harmonischen-Mischern (engl. Harmonic Mixers) erweitert werden.
Diese Mischer arbeiten ebenfalls nach dem Prinzip der Harmonischen-Mischung,
d. h. es wird hierfür ein Lokaloszillatorsignal in einem
verglichen mit dem Eingangssignal niedrigen Frequenzbereich benötigt.
Das Eingangssignal wird mit einer LO-Harmonischen auf eine niedrige
ZF umgesetzt und im Analysator über einen dafür vorgesehenen ZF-Eingang
an geeigneter Stelle in den ZF-Signalpfad des niederfrequenten Eingangsteils
eingekoppelt.
Im Millimeterwellen-Bereich werden üblicherweise Hohlleiter zur leitungsgebundenen
Signalübertragung verwendet. Verfügbare externe Mischer
zur Erweiterung von Spektrumanalysatoren sind daher üblicherweise
ebenfalls in Hohlleitertechnik aufgebaut. Sie verfügen meist über keine
Vorselektion und damit über keine Spiegelfrequenzunterdrückung. Unerwünschte
Mischprodukte müssen daher als solche durch geeignete
Algorithmen im Spektrumanalysator identifiziert werden. Näheres zur
Frequenzbereichserweiterung durch externe Harmonischen-Mischer ist in
[4-2] zu finden.
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