频谱分析仪维修与限幅器设计

频谱分析仪是EMC电磁兼容和RF射频领域重要的基础测试工具，能够对nV纳伏-μV微伏-mV毫伏级-V伏级射频信号进行高精度测量，但使用过程中射频输入端口很容易因为非正常高电压或大能量瞬态信号而损坏，需要进行防护。

本文介绍频谱仪的基本原理，结合实物频谱仪的端口电路进行简单问题分析和维修，通过实测的方式设计并验证一个用于民品标准的频谱仪端口保护的功率限幅器，供大家参考。

一、频谱仪的基本原理与端口损坏维修

频谱仪的基本原理

接收机是EMC认证测试的标准测量设备，而频谱仪在EMC诊断分析和射频测试领域的应用更广。接收机采用逐点驻点检测的方式在测试原理和测量精度上有天然优势，但测试速度不如利用FFT运算直接计算输出频谱的频谱仪。两者基本原理有很多共通，因此也很容易实现功能兼容，目前高性能接收机往往也集成FFT运算功能实现频谱快速测量，高性能频谱仪增加数字检波器之后也能实现EMI预认证测试的检波能力。

图1 频谱仪原理框图（图片引用于是德科技知乎账号）

EMI接收机与频谱仪都是利用超外差技术实现对信号测量，主要差异是接收机采用单一混频信号对单点测量，频谱仪采用宽带信号对宽频带进行测量，检波方式频谱仪采用数字检波，直接将中频信号转换为频域频谱，接收机会采用检波器进行检波后再逐点绘制频谱。频谱分析仪速度快，而接收机精度高。

图2 频谱仪和接收机的基本输入电路

频谱仪和接收机实际端口电路需要实现AC/DC耦合切换、50/75欧内阻转换、通频带选定、衰减调整、预选放大器开关、内部自动校准等等许多功能。如上图所示，端口电路会利用射频开关来进行不同射频传输路径和功能电路的切换选择，这些器件在面临过压和脉冲冲击的情况下都存在损坏的风险。

频谱仪损坏的表现与判断方法

频谱仪在一些工作状态下损坏的风险大：小信号测量时内置衰减小同时打开内置放大器的情况下最容易被瞬态高能脉冲信号损坏衰减器或放大器；大信号测量的时候衰减设置过小容易损坏衰减器或后级射频电路；一些电子射频开关抗过压能力也比机械射频开关要弱，本身内阻大也很容易导致损坏。当混频器或中频衰减放大器损坏时频谱仪接收不到任何信号，修复的难度和成本都很大，如果仅仅内置放大器或某一组衰减器损坏则只会影响相关衰减或放大功能但其他功能正常，修复也较为简单。

接收机和频谱仪一般都有内部自校验功能，能够对端口电路的功能进行自检并输出结果，当发现自检异常之后就需要确认，可以利用信号源来进行快速判断。

跟踪源信号自测异常	跟踪源信号自测正常
信号源信号测试异常	信号源信号测试正常

图3 频谱仪的核查——异常与正常频谱比对

上图中频谱仪在内部跟踪源和外部信号源测试结果上都出现1MHz以前的频带测量结果异常，说明该频谱仪内部检测功能正常，仅低频响应有幅值异常，可能内部低频选频电路有损坏导致信号传输异常。

图4 利用正常的频谱仪进行比对

利用信号源进行同型号比对也是常用的方法。这两台设备中一台正常而另一台在衰减器设置小于20dB的情况下失去测量信号，说明内部某组衰减器发生损坏。

某经济型频谱仪的维修

某款经济型频谱仪由于使用过程中缺乏保护出现测试结果信号幅值异常，推测信号检测电路正常仅端口有器件损坏，因维修难度较小所以进行了拆解分析和维修。

图5 某经济型频谱仪的射频主控板

该板子将RF射频信号处理、电源、MCU集成在一片PCB上。左边射频部分电路会通过加盖的金属屏蔽罩将电路分割程不同的腔体，与PCB共同实现信号的传输和处理和屏蔽；射频切换全部使用电子射频开关。

图6 输入端口细节

射频输入端口是SMA母头，同轴直接焊接在板上构成连续的完整同轴信号传输层，输入信号进入之后经过小的贴片保险丝到达0.3dB衰减器，再经过三端电容隔离直流。之后信号进入一段检测电路后送入到多路射频开关。

图7 信号选择和衰减部分电路细节

两个多路射频切换开关对信号进行各项功能通路切换，信号可以经过放大器直接进入混频器也可以经过数字衰减器进行0-40dB的衰减。数字衰减器通过组合外部的五组基础衰减器来实现可调衰减。后面的SIM83是混频器芯片，内部集成有磁芯材料，体积会比较大。

通过检测发现端口保险丝、0.3dB衰减器、隔离电容等被动器件都正常，但2个射频切换开关和步进数字衰减器损坏，考虑芯片的耐压能力弱于被动器件，因此很可能仅仅这部分芯片发生了损坏，通过更换这三个元件之后频谱仪测试结果恢复正常。

但这台频谱仪在测试过程中射频端口会受到了大功率电源并网和离网的切投产生的瞬态高压冲击，外置10dB衰减系数2.5W功率衰减器能起到保护作用衰减器很容易损坏，因此需要使用抗瞬态能量能力更强的功率限幅器来进行保护。

二、功率限幅器的设计与实测

频谱仪的耐受能力与限幅需求

一般频谱仪端口标定承受的最大射频输入功率 20dBm，换算成电压是127dBuV=2.24V，也就是当某射频电压瞬态功率超过10毫瓦或者幅值超过2.24V时，频谱仪端口可能会损坏，当内置衰减器设置较小的情况下能承受的功率还会更小。传导测试时，阻抗网络输出的信号会耦合到某些特殊被测设备产生的瞬态高压的脉冲信号（利用示波器能够抓到这类纳秒到微秒瞬态信号，幅值常常达到几百伏），这些脉冲对接收机和频谱仪有破坏性，因此需要利用限幅器将信号幅值和瞬态能量限制到频谱仪耐受能力范围内。

限幅器的性能要求

限幅器需要在频谱仪工作的频段范围内实现瞬态冲击的吸收和正常信号的传输，因此频率范围、衰减参数、脉冲吸收能力是基本参数，同时我们还需要考虑恶劣工况的应对增加直流隔离、低频衰减等能力。

限幅器的设计与测试

根据以上的性能要求设计功率限幅器实现保护效果需要组合使用脉冲吸收器件、隔直、低阻滤波电路和10dB衰减电路。以下为一种简单的防护方案。

图8 功率限幅器的设计方案

信号输入端2.2uF电容实现结合100uH的旁路电感实现对DC隔离和低频衰减，T型三个电阻实现10dB的衰减效果，这部分器件的设计和选型很容易，利用插损测量工具可以快速完成这部分调试。

图9 限幅器CL与T型衰减器的调试曲线

上图是30kHz-300MHz频率范围内进行旁路电感选型调试过程数据，通过实测最终确定2.2uF隔直电容配合旁路电感100uH能够保证150kHz的系数10dB，同时在DC-150kHz的频段范围内提供了额外的衰减。

功率限幅器设计最大的难度寻找合适的瞬态吸收器件来满足频谱仪的端口保护应用条件下要求的低启动电压、低残压、高瞬态功率、结电容小的要求。

由于瞬态吸收器件是加在信号与同轴地之间，因此器件的结电容会直接影响信号传输，这里可以直接排除低压气体放电管、压敏电阻、功率TVS等高结电容的器件类型，只能选择一些结电容较小的用于EFT或ESD防护的吸收器件。

图10 结电容330pF的器件会导致高频衰减过大

功率限幅器如果仅用于传导测试保护，结电容可以放宽到100pF，如果需要兼顾300MHz的频段，结电容需要小于30pF。结电容是限压型器件的固有参数，与启动电压、吸收功率相关。

由于后级10dB衰减器能降低电压到三分之一，前级残压需要在端口最大电压2.24的三倍以下6.72V，使用标称启动电压3.3V的瞬态吸收器件能够在3.3V开始动作并且将脉冲幅值降低，是目前能找到的比较理想的器件。

查询捷捷微电子和雷卯电子两家防护器件供应商的器件规格书做快速的器件选型筛查：单向防护和双向防护器件选择双向的，防止参考地电位波动导致能量涌入；启动电压捷捷微电子产品最低能到1.5V，但封装太小不能实现手焊，只能选择3.3V版本；捷捷微和雷卯都有3.3V启动电压的低结电容版本，同时存在普通型器件和回扫型器件的选择。

普通型双向器件的伏安特性 引用自JEB03CX TVS Diode Array V4.0规格书	回扫型双向器件的伏安特性 引用自JEB03SCDFA Bi-directional TVS Diode for ESD Protection V1.0

图11 普通型器件与回扫型器件的比对

防护器件的规格书参数主要关注正常工作电压V_rwm, 启动电压V_br, 导通电压Vc。从左VI图上可以看到防护器件是典型的电压钳位型器件，在启动之前电流很小，启动之后电流急剧增大从而提供过压能量的泄放路径。右图是回扫型器件的VI特性图，在达到启动电压之后在防护器件内部建立一个主动导通电路将内阻拉低提供更大的钳位电压效果，导通之后残压会有个明显的下降。

图12 回扫型器件的参数表（引用自雷卯电子防护器件规格书）

这个器件是3.3V正常工作电压，3.5V启动电源的双向防护回扫型防护器件，340W的瞬态吸收功率能满足频谱仪端口的保护。普通型和回扫型器件都能实现瞬态过压的防护，但实际效果需要进行测试。

限幅器防护器件的吸收效果实测

防护器件脉冲吸收后的残余电压并没有在规格书中作为参数给出明确说明，需要我们进行实测。利用波形发生器、频谱仪、示波器、夹具来搭建测试台能够对实际样品的实际防护效果进行测试。

波形发生器能够模拟幅度0-20V的过压脉冲且脉冲宽度可以进行调整，使用同轴线和同轴夹具输出模拟瞬态过压脉冲信号。防护器件接在同轴夹具的信号芯线和同轴外层之间，模拟脉冲即加在防护器件两端，防护器件会对脉冲进行响应，之后信号通过同轴电缆接入到示波器中观察吸收效果，此时可以利用两路同步信号进行触发和波形观察比对。

当脉冲信号幅值在在防护器件启动电压之下，衰减器按照0.3的系数对信号进行衰减，当脉冲幅度超过一定值之后（3.3V的防护器件约在5-6V之后出现明显限压钳位效果）经过脉冲限幅器的脉冲幅值不再增大。选择普通型防护器件和回扫型器件都能实现钳位效果。

图14 限幅器输入输出电压波形比对——50nS脉冲

模拟50nS的EFT脉冲信号，能够正常响应，3.3V防护器件在20V脉冲下残压8.6V，经过衰减之后峰峰值2.88V，对端口有明显保护作用。

图15 限幅器输入输出电压波形比对——1uS脉冲

模拟1uS的浪涌冲击信号对更大的脉冲能量，限幅器依旧能够正常响应对脉冲进行限制。

图16 限幅器的插损系数

该限幅器设计为一般民用产品传导测试使用，在150k-30MHz频段10dB的衰减系数，在10-150kHz提供了额外的10-20dB损耗，防护器件结电容30pF对高频信号有影响不能用于辐射测试。该限幅器投入使用之后对频谱仪起到了明显的保护作用，没有再出现该款频谱仪损坏问题。

限幅器还可以针对不同的场景需求进行相应设计优化：需要更强的保护可以使用更低的启动电压的防护器件，如1.2V或1.5V防护器件；需要更强的吸收功率可以增加防护器件的级数和数量；需要9kHz-150kHz低频段应用可以去掉旁路电感；需要更高的应用频率需要使用更低结电容的防护器件，如3pF以下；如果需要过载断开并自动恢复可以增加低电流的自恢复保险丝；如果需要进行灾难防护，可以将隔离电容耐压调低利用电容失效进行保护。

三、小结

接收机和频谱仪的射频输入端口使用了大量精密射频器件进行复杂的信号选择和处理功能，这些器件在过压和瞬态脉冲能量冲击条件下都有损坏的风险，是系统内部最脆弱的部分。EMC工程师需要时刻关注信号输入和端口的防护。

射频输入器件的损坏是导致仪器功能异常的最主要原因，我们在了解频谱仪工作原理的和器件失效机理的基础上通过更换失效器件对频谱仪进行简单维修，对于深入了解设备和保障EMC测试进度有帮助。

功率限幅器可以通过多重功能设计来保护射频端口。我们可以通过频带衰减设计来隔离直流并降低低频信号幅值，通和瞬态吸收器件来吸收高压脉冲能量冲击，通过固定衰减器来降低整体信号的幅值提升安全裕量。其中瞬态防护器件的结电容、启动电压、残压、吸收能量是关键选型指标，需要通过实测进行筛选。

最终我们设计并测试验证了一款能够提供传导和辐射低频段防护的功率限幅器，制作并且使用限幅器在EMI测试中对频谱仪提供防护，取得了很好的工程应用效果。