諧波在射頻測試中的重要性以及對不同系統性能的影響

電機過熱、設備故障、數據紊亂 —— 這些電力系統的 "亞健康" 狀態，都指向同一個隱形威脅：諧波污染。

那什么是“諧波”呢？

諧波是一個在物理學、電學、工程學等多個領域廣泛涉及的重要概念，其核心本質與周期性信號的分解密切相關。

在電學領域諧波是指頻率為基波整數倍的周期性信號成分。當一個周期性信號（如電壓、電流、機械振動等）的波形不是理想正弦波時，就可分解為基波與一系列諧波的疊加。

法國數學家傅里葉證明：任何周期為 T 的函數 f(t)，均可分解為一系列正弦和余弦函數的疊加

表達式為：

其中：

ω為基波角頻率，nω 為 n 次諧波的角頻率（n=1,2,3,…）

a0為直流分量（若信號含直流成分）

an和 bn為各次諧波的幅值系數，決定了各次諧波的強度。

諧波對電力系統、設備及周邊環境的影響廣泛且不容忽視

在電力設備方面
諧波電流會導致變壓器鐵芯磁滯及渦流損耗（鐵損）顯著增加，尤其高次諧波會使繞組集膚效應加劇，銅損升高。長期運行可能導致變壓器過熱、絕緣老化，甚至燒毀，同時效率降低、壽命縮短。

在電子通信領域

高頻諧波會通過電磁輻射或傳導，干擾附近的通信線路（如電話、網絡電纜），導致信號失真、數據傳輸錯誤，甚至中斷通信。

除了在電力方面，諧波在射頻應用中也是非常重要的存在，是射頻系統非線性特性的直接體現。理想的線性系統僅對信號進行幅度 / 相位的線性變換，不會產生新頻率成分；但實際應用中，有源器件（比如功率放大器、混頻器）的非線性伏安特性、無源器件（比如濾波器、天線）的非線性響應，都會導致信號失真，從而產生諧波。因此，諧波的強度直接反映系統的線性度水平，是評估射頻設備設計合理性的核心指標之一。

諧波的影響主要以負面為主，核心是對射頻系統自身及周邊環境造成干擾與性能劣化。主要體現在以下三個方面

1、造成頻譜污染與鄰道干擾

諧波頻率可能落入其他通信系統的工作頻段，導致 “越界干擾”。例如：

5G 基站（3GHz）的二次諧波（7GHz）可能干擾衛星通信（6-8GHz 頻段）；

FM 廣播（88-108MHz）的三次諧波（264-324MHz）可能干擾航空通信（225-380MHz）。
此類干擾會直接導致受擾系統通信中斷、數據錯誤，甚至引發安全隱患。

2、通信質量劣化

接收端可能誤將強諧波信號識別為有用信號，導致解調錯誤、信噪比下降。

在雷達、衛星通信等精密系統中，諧波會降低靈敏度和動態范圍，縮短探測距離以及降低數據傳輸的可靠性。

3、設備兼容性問題

諧波會破壞多系統共存的電磁環境。

比如工業物聯網設備的諧波可能會對工廠內的傳感器網絡造成干擾，導致生產數據采集錯誤。

所以針對諧波的這些負面影響，就要做出相對應的控制手段，而控制的核心就是如何檢測并分析出諧波的成分了，具體包括：

1、合規性驗證：各國監管機構（如 FCC、ETSI）對射頻設備的諧波輻射有嚴格限制（如二次諧波抑制需≥-30dBc），測試是產品上市的強制要求；

2、性能評估：通過諧波強度或諧波抑制比，評估設備線性度，指導設計優化（比如是否需要線性化技術：預失真、反饋等）；

3、干擾排查：定位系統內/系統間的干擾源（如某頻段受到干擾是否源于另一設備的諧波）

4、可靠性保障：避免諧波導致的設備過熱、壽命縮短等問題。

諧波在時域上表現為非正弦性，也就是純基波的波形是光滑對稱的正弦曲線；含諧波時，波形會偏離正弦，出現 “棱角”“毛刺” 或 “不對稱”。而在頻域，通過傅里葉變換將時域信號分解為不同頻率的正弦分量，直接揭示了各次諧波的 “單獨特征”（頻率和幅值）。

我們利用頻譜分析儀來實測一下，以便加深對諧波的印象

1、首先查看頻譜分析儀的頻率范圍以及動態范圍，確保能涵蓋被測信號的頻率和功率值；比如這臺海得頻譜的頻率范圍在9kHz~20GHz，動態范圍在被測信號≤50MHz時，最大10dBm；被測信號＞50MHz時，最大23dBm；同時海得頻譜儀擁有超快的掃描速度，在低RBW下仍然能保持快速掃描，小RBW下可以獲取更到的動態范圍，保證同時測量到高功率基波信號與小信號諧波

2、利用信號源模擬一個正弦波信號，其頻率和幅度設置到頻譜分析儀的要求內，比如輸出一個1MHz，0dBm的信號；要注意一點，頻譜儀的輸入接口大都是50Ω，所以我們信號源輸出的時候要注意做好阻抗匹配

3、頻譜儀上設置好中心頻率和掃寬，中心頻率可以根據諧波次數和基波頻率套用這個公式：

(f0+nf0)/2）（f0為基波頻率，n為諧波次數）

確保基波和高次諧波均在顯示范圍內。

比如我們測試的是1MHz信號，看5次諧波，中心頻率就可以設置為3MHz，掃寬設置為5MHz

4、調整頻譜分析儀前端的衰減值和參考電平，若功率較小，為降低底噪，可以打開預防；

5、設置頻譜分析儀的檢波方式為采樣，設置跡線為平均，平均數默認100即可；

6、設置分辨率RBW為1kHz，VBW自動即可；

7、設置光標點，啟用參考1、2、3，分別將頻率設置為基波1MHz、二次諧波2MHz以及三次諧波3MHz

8、記錄各諧波的幅度（dBm），計算其相對于基波的比值：

差值幅度（dBc）=諧波幅度（dBm）?基波幅度（dBm）