射频谐波

谐波概念：谐波是指在非线性电路中，基波信号通过非线性元件作用后产生的频率为基波频率整数倍的信号。在射频领域，基波通常指设计或规定的工作频率，而谐波则为该频率的2次谐波、3次谐波等。

谐波成因：射频谐波主要源自电路中的非线性元件或器件，如功率放大器、混频器、开关电源等。当输入信号强度超过一定阈值，这些器件的输出特性将偏离理想线性状态，导致产生谐波成分。

谐波影响：

系统性能：谐波会占用宝贵的频谱资源，降低信噪比，增加误码率，影响通信质量。

电磁兼容性：谐波可能干扰其他在同一频段工作的设备，引发电磁兼容性问题，违反FCC、CE等法规对发射限值的要求。

设备互操作性：在多系统共存环境中，谐波可能导致设备间的相互干扰，影响系统的稳定性和可靠性。

射频谐波测试方法

1、频谱分析仪测量：

原理：频谱分析仪能够显示被测信号在不同频率下的幅度分布，通过对射频信号进行快速傅立叶变换（FFT），将时域信号转换为频域信号，从而直观地显示出基波及其各次谐波的幅值、频率和相位。

步骤：

将待测射频信号接入频谱分析仪。

设置适当的中心频率、分辨率带宽（RBW）和视频带宽（VBW），以确保既能分辨出各次谐波又能抑制噪声。

观察频谱图，记录各次谐波的幅度及其相对于基波的相对幅度（谐波失真系数）。

对于需要精确测量总谐波失真（THD）的情况，还应测量并计算所有谐波分量的平方和与基波幅度平方的比值。

2、网络分析仪测试：

原理：网络分析仪在特定频率范围内测量S参数（散射参数），可以评估设备的反射和谐波特性。

步骤：

连接待测设备与网络分析仪，设置合适的频率扫描范围和步进。

执行S参数测量，重点关注S11（反射系数）和S21（传输系数）曲线，观察是否存在与基波频率成整数倍关系的峰值，这些峰值对应着谐波分量。

计算谐波幅度和THD。

3、专用谐波分析仪测试：

原理：谐波分析仪专门用于精确测量电流或电压信号的谐波含量，具备高精度和高动态范围。

步骤：

将待测信号接入谐波分析仪。

设定测量参数，如测量范围、采样率、谐波阶数等。

开始测量，仪器会自动计算并显示各次谐波的幅值、相位及THD等参数。

4、软件辅助测试：

原理：使用数据采集卡配合计算机软件进行实时或离线数据分析，通过软件实现FFT或其他谐波分析算法。

步骤：

通过数据采集卡获取射频信号样本。

利用软件（如MATLAB、LabVIEW等）进行信号处理，执行FFT计算并绘制频谱图。

分析频谱图，识别并量化谐波成分。

射频谐波抑制原理

射频谐波抑制主要通过以下策略实现：

a、线性化技术：

原理：通过改善非线性器件（如功率放大器、混频器等）的工作条件或设计，使其输出特性更接近理想线性，从而减少谐波产生。

方法：

预失真技术：在输入信号中加入与非线性特性相反的预失真信号，抵消非线性产生的谐波。

反馈技术：利用负反馈机制，实时监测输出并调整输入，保持系统在近似线性区域内工作。

b、滤波技术：

原理：通过设计适当的滤波器，仅允许基波通过，抑制或大幅衰减谐波分量。

方法：无源滤波器（如LC滤波器、腔体滤波器等）：利用电感、电容等元件构成选频电路，对特定频率（如谐波频率）呈现高阻抗，阻止其通过。

有源滤波器：采用集成运算放大器等有源器件，实现更灵活的频率选择和更高的抑制效果。

c、功率合成与分配技术：

原理：采用多路并联、合路器或分配器等技术，分散单个器件的功率负荷，降低其工作点的非线性程度。

方法：Doherty功率放大器：通过主放大器与辅助放大器的协同工作，提高效率的同时降低谐波。

d、数字信号处理（DSP）技术：

原理：在数字域内对信号进行处理，通过算法（如数字预失真、数字滤波等）消除或抑制谐波。

方法：数字预失真算法：在数字基带或中频阶段对信号进行预处理，添加与硬件非线性特性相反的失真，以抵消硬件产生的谐波。

数字滤波算法：在数字接收端，使用数字滤波器对信号进行后处理，滤除谐波成分。

射频杂散

1. 杂散概念：杂散是指在射频系统中，除主信号（包括基波及其谐波）外，由各种非预期因素产生的无规律频率成分。这些成分可能分布在主信号频带附近或远离主信号的频带上。

2. 杂散产生原因：

   • 内部源：包括非线性失真产生的谐波杂散、振荡器相位噪声引起的边带杂散、寄生振荡产生的杂散、电源纹波引起的杂散等。

   • 外部源：如耦合、串扰、天线反射、互调等导致的杂散。

3. 杂散影响：

   • 系统性能：杂散同样会占用频谱资源，降低接收机灵敏度，增加误码率，影响通信质量。

   • 电磁兼容性：杂散可能对其他设备造成干扰，特别是在相邻频段工作的设备，可能引发电磁兼容性问题，违反相关法规要求。

   • 设备安全性：某些特定频段的杂散可能对人体健康产生潜在影响，如射频能量过高可能引发热效应或非热效应生物效应。

射频谐波与杂散抑制策略

1. 设计优化：采用线性度高的射频器件，合理布局电路以减少互感互容，使用低噪声振荡器，优化电源设计等，从源头减少谐波与杂散的产生。

2. 滤波技术：利用LC滤波器、声表面波滤波器、微带滤波器等硬件滤波器，或者数字信号处理中的软件滤波器，有效抑制特定频段的谐波与杂散。

3. 屏蔽与接地：通过良好的屏蔽措施防止外部杂散干扰，确保良好的接地以减少内部杂散耦合。

4. 测试与校准：进行严格的射频系统测试与校准，包括谐波与杂散测量，确保系统满足相关法规要求及应用场合的性能指标。

射频谐波与杂散监管与法规要求

各国和地区对射频设备的谐波与杂散发射有严格的规定，如美国的FCC Part 15、欧盟的RED指令、中国的《无线电发射设备型号核准管理办法》等。制造商需确保产品在设计、生产和销售阶段均符合相关法规要求，否则可能面临罚款、召回甚至市场禁入的风险。

#射频中的谐波与杂散#是影响系统性能、电磁兼容性及设备互操作性的关键因素。理解其概念、成因、影响及应对策略，有助于工程师在设计阶段就采取有效措施进行抑制，确保射频系统的高效、稳定运行，满足日益严苛的法规要求。同时，对于行业监管机构、测试认证机构及广大用户而言，理解谐波与杂散的相关知识亦有助于提升对射频设备性能评估、合规性检查及使用维护的能力。