谐波在射频测试中的重要性以及对不同系统性能的影响

电机过热、设备故障、数据紊乱 —— 这些电力系统的 "亚健康" 状态，都指向同一个隐形威胁：谐波污染。

那什么是“谐波”呢？

谐波是一个在物理学、电学、工程学等多个领域广泛涉及的重要概念，其核心本质与周期性信号的分解密切相关。

在电学领域谐波是指频率为基波整数倍的周期性信号成分。当一个周期性信号（如电压、电流、机械振动等）的波形不是理想正弦波时，就可分解为基波与一系列谐波的叠加。

法国数学家傅里叶证明：任何周期为 T 的函数 f(t)，均可分解为一系列正弦和余弦函数的叠加

表达式为：

其中：

ω为基波角频率，nω 为 n 次谐波的角频率（n=1,2,3,…）

a0为直流分量（若信号含直流成分）

an和 bn为各次谐波的幅值系数，决定了各次谐波的强度。

谐波对电力系统、设备及周边环境的影响广泛且不容忽视

在电力设备方面
谐波电流会导致变压器铁芯磁滞及涡流损耗（铁损）显著增加，尤其高次谐波会使绕组集肤效应加剧，铜损升高。长期运行可能导致变压器过热、绝缘老化，甚至烧毁，同时效率降低、寿命缩短。

在电子通信领域

高频谐波会通过电磁辐射或传导，干扰附近的通信线路（如电话、网络电缆），导致信号失真、数据传输错误，甚至中断通信。

除了在电力方面，谐波在射频应用中也是非常重要的存在，是射频系统非线性特性的直接体现。理想的线性系统仅对信号进行幅度 / 相位的线性变换，不会产生新频率成分；但实际应用中，有源器件（比如功率放大器、混频器）的非线性伏安特性、无源器件（比如滤波器、天线）的非线性响应，都会导致信号失真，从而产生谐波。因此，谐波的强度直接反映系统的线性度水平，是评估射频设备设计合理性的核心指标之一。

谐波的影响主要以负面为主，核心是对射频系统自身及周边环境造成干扰与性能劣化。主要体现在以下三个方面

1、造成频谱污染与邻道干扰

谐波频率可能落入其他通信系统的工作频段，导致 “越界干扰”。例如：

5G 基站（3GHz）的二次谐波（7GHz）可能干扰卫星通信（6-8GHz 频段）；

FM 广播（88-108MHz）的三次谐波（264-324MHz）可能干扰航空通信（225-380MHz）。
此类干扰会直接导致受扰系统通信中断、数据错误，甚至引发安全隐患。

2、通信质量劣化

接收端可能误将强谐波信号识别为有用信号，导致解调错误、信噪比下降。

在雷达、卫星通信等精密系统中，谐波会降低灵敏度和动态范围，缩短探测距离以及降低数据传输的可靠性。

3、设备兼容性问题

谐波会破坏多系统共存的电磁环境。

比如工业物联网设备的谐波可能会对工厂内的传感器网络造成干扰，导致生产数据采集错误。

所以针对谐波的这些负面影响，就要做出相对应的控制手段，而控制的核心就是如何检测并分析出谐波的成分了，具体包括：

1、合规性验证：各国监管机构（如 FCC、ETSI）对射频设备的谐波辐射有严格限制（如二次谐波抑制需≥-30dBc），测试是产品上市的强制要求；

2、性能评估：通过谐波强度或谐波抑制比，评估设备线性度，指导设计优化（比如是否需要线性化技术：预失真、反馈等）；

3、干扰排查：定位系统内/系统间的干扰源（如某频段受到干扰是否源于另一设备的谐波）

4、可靠性保障：避免谐波导致的设备过热、寿命缩短等问题。

谐波在时域上表现为非正弦性，也就是纯基波的波形是光滑对称的正弦曲线；含谐波时，波形会偏离正弦，出现 “棱角”“毛刺” 或 “不对称”。而在频域，通过傅里叶变换将时域信号分解为不同频率的正弦分量，直接揭示了各次谐波的 “单独特征”（频率和幅值）。

我们利用频谱分析仪来实测一下，以便加深对谐波的印象

1、首先查看频谱分析仪的频率范围以及动态范围，确保能涵盖被测信号的频率和功率值；比如这台海得频谱的频率范围在9kHz~20GHz，动态范围在被测信号≤50MHz时，最大10dBm；被测信号＞50MHz时，最大23dBm；同时海得频谱仪拥有超快的扫描速度，在低RBW下仍然能保持快速扫描，小RBW下可以获取更到的动态范围，保证同时测量到高功率基波信号与小信号谐波

2、利用信号源模拟一个正弦波信号，其频率和幅度设置到频谱分析仪的要求内，比如输出一个1MHz，0dBm的信号；要注意一点，频谱仪的输入接口大都是50Ω，所以我们信号源输出的时候要注意做好阻抗匹配

3、频谱仪上设置好中心频率和扫宽，中心频率可以根据谐波次数和基波频率套用这个公式：

(f0+nf0)/2）（f0为基波频率，n为谐波次数）

确保基波和高次谐波均在显示范围内。

比如我们测试的是1MHz信号，看5次谐波，中心频率就可以设置为3MHz，扫宽设置为5MHz

4、调整频谱分析仪前端的衰减值和参考电平，若功率较小，为降低底噪，可以打开预防；

5、设置频谱分析仪的检波方式为采样，设置迹线为平均，平均数默认100即可；

6、设置分辨率RBW为1kHz，VBW自动即可；

7、设置光标点，启用参考1、2、3，分别将频率设置为基波1MHz、二次谐波2MHz以及三次谐波3MHz

8、记录各谐波的幅度（dBm），计算其相对于基波的比值：

差值幅度（dBc）=谐波幅度（dBm）−基波幅度（dBm）