有著“射頻萬用表”之稱的頻譜分析儀是一種應用非常廣泛的射頻和微波基礎測量儀器。經常被用於測量放大器/發射機的諧波和雜散測量、無源互調測量，而在空中電磁環境測量中，頻譜分析儀更是擔當了重要的角色。

 

 

通常，要描述一台頻譜分析儀的幅度精度，需要有一些附加的設置條件，以下是一台新型頻譜分析儀對3.5-8.4GHz頻率範圍內幅度精度的描述：

 

 

令人感覺似是而非的問題 

 

從最終計算出來的均方根誤差來看，首先我們可以明確±1.6dB的de誤wu差cha說shuo明ming了le頻pin譜pu分fen析xi儀yi不bu能neng作zuo為wei功gong率lv計ji測ce量liang的de標biao準zhun，如ru果guo用yong頻pin譜pu分fen析xi儀yi去qu測ce量liang一yi台tai發fa射she機ji的de功gong率lv
，不bu計ji耦ou合he誤wu差cha
，僅jin僅jin頻pin譜pu分fen析xi儀yi的de誤wu差cha就jiu會hui高gao達da+44.5/-30.8%！

 

但是本文要討論的不是頻譜分析儀的精度誤差究竟有多少
，而是頻譜分析儀在不同設置條件下

，上述的誤差會變化多少？

 

bizhezairichanggongzuozhongyudaoguobushaodaxinhaohexiaoxinhaodeceshianli
，suizhepinpufenxiyishezhidebutong，zuizhongdeceshijieguosihuyeyouxiebianhua。womenkeyisuiyiliejuyixieceshitiaojiandekenengbianhua：

大信號測試時（如0dBm）要設置衰減器，如20dB
；

測量微弱信號時，比如-130dBm
，則需要開啟預放；

測量微弱信號時
，要減小RBW
，為了提高測試速度
，SPAN也要減少；

檢波方式的變化
；

參考電平放在什麼位置？

多載頻存在於頻譜分析儀的輸入端時
，其自身的非線性可能會導致測試誤差；不同幅度的測試信號下，誤差值也在變化；

測試環境溫度會有變化，尤其在野外應用時。

 

帶著這些似是而非的、讓人有些困惑的問題，筆者隨意詢問了一些業內人士，遺憾的事，並沒有得到明確的答案。           

 

 

帶著諸多疑問
，筆者設計了一個測試係統（圖1），希望能通過試驗數據來尋找答案。

 

圖1. 頻譜分析儀校準係統

 

在圖1中
，微波信號發生器所產生的信號經過一個可編程的帶通濾波器到達一個SPDT微波開關的輸入端（RF1），開關的二個輸出端J1和J2分(fen)別(bie)接(jie)需(xu)要(yao)被(bei)校(xiao)準(zhun)的(de)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi)和(he)標(biao)準(zhun)功(gong)率(lv)計(ji)。在(zai)校(xiao)準(zhun)測(ce)試(shi)過(guo)程(cheng)中(zhong)，功(gong)率(lv)計(ji)讀(du)一(yi)次(ci)來(lai)自(zi)信(xin)號(hao)源(yuan)的(de)幅(fu)度(du)後(hou)
，開(kai)關(guan)即(ji)刻(ke)切(qie)換(huan)到(dao)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi)，並(bing)記(ji)錄(lu)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi)針(zhen)對(dui)信(xin)號(hao)源(yuan)幅(fu)度(du)的(de)讀(du)數(shu)。

 

在測試過程中
，每個參數的變化均以功率計為參照值，頻譜分析儀與功率計讀數的差值即為頻譜分析儀的精度偏差。

 

針對圖1的校準電路，有以下幾點說明。

 

一、為什麼要用功率計作為計量標準？ 

         

在圖1suoshidexiaozhunceshixitongzhong
，shiyizhongduanshigonglvjizuoweicanzhaobiaozhunde。womenzhidao
，zaiweiboheshepindefudujiliangyiqizhong，gonglvjishibeirenweijuyouzuigaojingdude，xiandaigonglvjidejingdukeyidadao1.95%的總誤差，可換算成±0.016dB的誤差
，這個誤差要比標稱最高精度的頻譜分析儀好一個數量級
，完全可以作為頻譜分析儀的校準參考。                  

              

二、為什麼要采用可編程濾波器？  

  

微波信號源具有諧波輸出，某些用於自動化測試的模塊化信號源的二次諧波可能高達-15dBc
，這(zhe)個(ge)諧(xie)波(bo)信(xin)號(hao)與(yu)載(zai)頻(pin)信(xin)號(hao)會(hui)同(tong)時(shi)進(jin)入(ru)功(gong)率(lv)計(ji)，而(er)功(gong)率(lv)計(ji)並(bing)不(bu)能(neng)識(shi)別(bie)是(shi)有(you)用(yong)信(xin)號(hao)還(hai)是(shi)諧(xie)波(bo)信(xin)號(hao)，因(yin)此(ci)這(zhe)二(er)個(ge)信(xin)號(hao)會(hui)被(bei)同(tong)時(shi)功(gong)率(lv)計(ji)讀(du)出(chu)來(lai)並(bing)認(ren)為(wei)是(shi)參(can)照(zhao)標(biao)準(zhun)。-15dBc的諧波可能會額外產生3%的誤差，采用濾波器可以有效避免這一誤差。

 

可ke編bian程cheng濾lv波bo器qi可ke以yi自zi動dong跟gen蹤zong微wei波bo信xin號hao源yuan的de頻pin率lv，這zhe樣yang大da大da提ti高gao了le測ce試shi效xiao率lv。因yin為wei頻pin譜pu分fen析xi儀yi的de校xiao準zhun可ke能neng會hui產chan生sheng海hai量liang的de測ce試shi數shu據ju，自zi動dong化hua測ce試shi手shou段duan是shi必bi需xu的de。

            

   

在圖1中，采用了一個SPDT微(wei)波(bo)開(kai)關(guan)來(lai)比(bi)較(jiao)被(bei)校(xiao)準(zhun)的(de)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi)和(he)標(biao)準(zhun)功(gong)率(lv)計(ji)的(de)讀(du)數(shu)。在(zai)這(zhe)個(ge)位(wei)置(zhi)，有(you)人(ren)提(ti)出(chu)采(cai)用(yong)二(er)路(lu)功(gong)率(lv)分(fen)配(pei)器(qi)，筆(bi)者(zhe)認(ren)為(wei)采(cai)用(yong)功(gong)分(fen)器(qi)時(shi)，有(you)二(er)個(ge)細(xi)節(jie)不(bu)能(neng)忽(hu)略(lve)：

 

- 功分器的輸出通路是二個不同的物理通路，必然存在幅度不平衡度
，一個DC-18GHz的功分器的幅度不平衡點可能達到0.2-0.5dB；這個誤差是難以接受的；而開關的二個輸出端是同一個物理通道
，其可重複性小於0.1dB。

- 更容易被忽略的是這種從DC開始的電阻型功分器的失配誤差，讓我們從圖2的原理圖來進行討論這個問題。

 

圖2 電阻型功率分配器原理圖

 

圖2中
，射頻輸入信號被分成二路輸出到J1和J2端
，而J1和J2這二個端口之間隻有6dB的隔離度。問題就可能出在這裏，校準測試過程中

，頻譜分析儀接在J1端，功率計接在J2端
，由於頻譜分析儀的輸入端存在較大的回波損耗，如-10dB
，那麼來自RF IN端口的射頻測試信號經過功分器後在J1會有-10dBc被反射回來，這部分信號會有-16dBc被反射到J2端，這樣會額外產生2.5%的誤差。

 

鑒於上述理由

，筆者認為長壽命的開關更加適合於這種校準測試。但通常認為微波開關存在壽命問題，正常的微波開關的壽命是1百萬次，而在圖1的校準係統中
，采用了指標為1千萬次的微波開關，這種開關的實測壽命超過3億次，足夠應付海量數據的測試要求。                

 

 

根據圖1

，筆者針對A和B二種頻譜分析儀進行了一係列的比對測試，以下分別加以描述。

 

 

這項測試在1GHz時進行，二台頻譜分析儀的設置均為FC=1GHz，RBW=30kHz，VBW=30kHz，Attn=20dB；輸入到功率計的功率從-39dBm至+3dBm
，每1dB變化一次並記錄測試數據。

 

在測試過程中
，分別在頻譜分析儀的Span為1MHz和10MHz的二種條件下
，記錄二台頻譜分析儀的幅度讀數。為了保證測試的一致性，頻譜分析儀的其它參數均不作改變，測試結果如圖3所示。

 

圖3不同SPAN條件下頻譜分析儀的幅度精度

 

頻譜分析儀A在Span=1MHz時測試-39dBm到+3dBm的信號幅度誤差約為+0.1dB/-0.5dB；當Span=10MHz時，其幅度誤差為+0.2dB/-0.4dB，二者總的變化趨勢是一致的。

 

頻譜分析儀B在Span=1MHz條件下的幅度測試誤差約為-0.15dB/-0.35dB
，當Span=10MHz時的幅度誤差為+0.3dB/0dB，二者的變化趨勢也是一致的。

 

從上述測試結果我們發現Span的變化對頻譜分析儀A的幅度誤差影響較小，但測試功率變化時則產生了較大的誤差。而頻譜分析儀B針對不同的測試功率有著較好的精度
，Span的變化卻導致了約0.4dB的誤差。

 

 

在這項測試中，信號源的頻率始終保持在1GHz
，二台頻譜分析儀的設置均為FC=1GHz，Span=1MHz，Attn=20dB；輸入到功率計的功率從-39dBm至+3dBm，每1dB變化一次並記錄測試數據。

 

在整個測試過程中，分別在頻譜分析儀的RBW為10kHz和30kHz的二種條件下，記錄二台頻譜分析儀的幅度讀數。為了保證測試的一致性，頻譜分析儀的其它參數均不作改變，測試結果如圖4所示。

 

圖4 不同RBW條件下頻譜分析儀的幅度精度

 

頻譜分析儀A在RBW=10kHz和30kHz條件下，分別產生了約+0.5dB和-0.5dB的幅度誤差。

 

頻譜分析儀B在RBW=10kHz和30kHz條件下，的幅度測試誤差約為-0.1dB至-0.35dB之間。

 

從上述測試結果我們發現
，RBW的變化對頻譜分析儀A的幅度誤差有著較大的影響；而頻譜分析儀B在Span變化時有著較好的測試一致性。

 

 

這項測試中在1GHz時進行，二台頻譜分析儀的設置均為FC=1GHz
，Span=1MHz，RBW=30kHz，VBW=30kHz，Attn=20dB；輸入到功率計的功率從-39dBm至+3dBm，每1dB變化一次並記錄測試數據。

 

在測試過程中
，分別在頻譜分析儀的Detector設置為Positive和Sample二種條件下，記錄二台頻譜分析儀的幅度讀數。為了保證測試的一致性
，頻譜分析儀的其它參數均不作改變
，測試結果如圖5所示。

 

圖5 不同Detector條件下頻譜分析儀的幅度精度

 

從測試結果我們發現，在Positive和Sample這二種Detector條件下，對於連續波信號的測試，二台頻譜分析儀的幅度誤差變化甚微，而對於調製信號，還需要類似的測試來進一步驗證。

 

 

在這項測試中

，二台頻譜分析儀的設置均為Span=1MHz，RBW=30kHz，VBW=30kHz，Attn=20dB；輸入到功率計的功率從-39dBm至+3dBm
，每1dB變化一次並記錄測試數據。

 

在測試過程中，分別在測試頻率為1GHz和2GHz二種條件下，記錄二台頻譜分析儀的幅度讀數。為了保證測試的一致性，頻譜分析儀的其它參數均不作改變，測試結果如圖6所示。

 

圖6 不同頻率時頻譜分析儀的幅度精度

 

從測試結果我們發現，在1GHz和2GHz這二種頻率條件下所測得的二台頻譜分析儀的幅度誤差
，顯然就是頻譜儀資料中所提到的頻率響應指標。

 

 

在這項測試中，二台頻譜分析儀的設置均為Fc=1GHz，Span=1MHz，RBW=30kHz，VBW=30kHz；輸入到功率計的功率從-39dBm至+3dBm，每1dB變化一次並記錄測試數據。

 

在測試過程中
，分別在輸入衰減為0dB
、10dB和20dB三種條件下
，記錄二台頻譜分析儀的幅度讀數。為了保證測試的一致性，頻譜分析儀的其它參數均不作改變，測試結果如圖7所示。

 

圖7 不同輸入衰減條件下頻譜分析儀的幅度精度

 

這個測試結果顯然說明了頻譜分析儀的輸入衰減器的精度。

 

上(shang)述(shu)測(ce)試(shi)結(jie)果(guo)僅(jin)僅(jin)說(shuo)明(ming)了(le)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi)在(zai)不(bu)同(tong)的(de)設(she)置(zhi)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)幅(fu)度(du)測(ce)試(shi)精(jing)度(du)是(shi)有(you)變(bian)化(hua)的(de)，而(er)且(qie)這(zhe)個(ge)變(bian)化(hua)不(bu)容(rong)忽(hu)略(lve)。但(dan)是(shi)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi)的(de)幅(fu)度(du)精(jing)度(du)究(jiu)竟(jing)該(gai)如(ru)何(he)定(ding)義(yi)？如(ru)何(he)理(li)解(jie)廠(chang)家(jia)公(gong)布(bu)的(de)指(zhi)標(biao)？我(wo)們(men)在(zai)日(ri)常(chang)測(ce)試(shi)中(zhong)如(ru)何(he)掌(zhang)握(wo)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi)的(de)測(ce)試(shi)精(jing)度(du)並(bing)且(qie)加(jia)以(yi)修(xiu)正(zheng)？這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)的(de)答(da)案(an)都(dou)需(xu)要(yao)進(jin)一(yi)步(bu)的(de)試(shi)驗(yan)來(lai)驗(yan)證(zheng)，因(yin)為(wei)頻(pin)譜(pu)儀(yi)的(de)測(ce)試(shi)條(tiao)件(jian)畢(bi)竟(jing)是(shi)太(tai)多(duo)了(le)，單(dan)從(cong)幾(ji)項(xiang)粗(cu)略(lve)的(de)試(shi)驗(yan)無(wu)法(fa)得(de)出(chu)對(dui)測(ce)試(shi)者(zhe)具(ju)有(you)實(shi)用(yong)性(xing)價(jia)值(zhi)的(de)建(jian)議(yi)。