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頻譜分析儀測量場強(qiáng)方法探討
2014-10-21
頻譜分析儀測量場強(qiáng)方法探討
頻譜分析儀是一種應(yīng)用廣泛的信號(hào)分析儀器。它可用來測量信號(hào)的頻率、電平、波形失真、噪聲電平、頻譜特性等，加上標(biāo)準(zhǔn)天線還可用來測量場強(qiáng)。它的主要特點(diǎn)是：能寬頻帶連續(xù)掃描，并將測得的信號(hào)在CRT屏上直觀地顯示出來。在整個(gè)頻段內(nèi)，電平顯示范圍大于70dB，在無線電電波測量中可以很方便地看出頻譜占用和信號(hào)活動(dòng)情況，所以在很多場合，頻譜儀正在替代場強(qiáng)儀成為電波測量中一種新的被廣泛應(yīng)用的儀器。但必竟二者設(shè)計(jì)上有差異，因此使用側(cè)重面應(yīng)有所有同，否則將會(huì)帶來很大的測量誤差。
一、電平刻度的轉(zhuǎn)換和阻抗匹配問題
通常，頻譜儀的顯示刻度單位是dBm，而在場強(qiáng)測量和有關(guān)電波傳播問題討論中，習(xí)慣采用dBμv/m為單位，因此首先就有一個(gè)單位轉(zhuǎn)換問題。實(shí)際上場強(qiáng)測量就是標(biāo)準(zhǔn)天線端感應(yīng)電壓的測量，因此只要將頻譜儀的讀數(shù)換算成電壓單位，加上天線的天線系數(shù)即可求得待測場強(qiáng)。
頻譜儀的單位換算系數(shù)隨其輸入阻抗的不同而不同，對于50Ω系統(tǒng)
VdBuV=PdBm+107dB
而對于75Ω系統(tǒng)，則 VdBuV=PdBm+108.8dB
現(xiàn)代頻譜儀多采用微機(jī)處理，顯示刻度可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換。在實(shí)際測量中要特別注意天線阻抗與測試系統(tǒng)的匹配問題，避免產(chǎn)生失配誤差。由于頻譜儀在使用中是進(jìn)行寬帶掃描，所以所用天線要求也都是寬帶天線，而寬帶天線的VSWR一般都較大，如果與頻譜儀聯(lián)接的不是匹配天線，則要對所用天線的天線系數(shù)重新校對。
在實(shí)際測量中，輸入衰減器不宜放在0dB的位置，如果衰減器置0，輸入信號(hào)直接接到混頻器上，則阻抗特性變差，造成較大的失配誤差。
二、防止頻譜分析儀過載
一般測試接收機(jī)的輸入端都有帶有調(diào)諧式高放電路，以抑制帶外信號(hào)，提高靈敏度。
而頻譜分析儀由于其寬帶連續(xù)快速掃描的特性，輸入端一般都直接接到第一混頻器上。當(dāng)信號(hào)電平較高時(shí)，混頻器工作在非線性變頻狀態(tài)，將產(chǎn)生高階互調(diào)和混頻增益壓縮，而且過高的電平（一般大于5dBm）將燒壞混頻器，故在使用中要合理地選擇射頻衰減器以確保線性工作狀態(tài)。
為使混頻器進(jìn)行線性變頻，中頻放大器進(jìn)行線性放大，使示波屏上出現(xiàn)的假響應(yīng)電平縮至最小，這就要求加在混頻器上的輸入信號(hào)功率越小越好；而為了擴(kuò)大測量電平的動(dòng)態(tài)范圍，則要求輸入功率越大越好。為此對輸入信號(hào)電平的選擇有如下三個(gè)規(guī)定：
（1）最佳輸入信號(hào)電平
在頻譜儀輸入混頻器上輸入信號(hào)時(shí)，使所產(chǎn)生的失真電平小于某個(gè)規(guī)定電平時(shí)的輸入信號(hào)電平叫最佳輸入電平。它隨混頻器的構(gòu)造不同而有所不同，通常頻譜儀的最佳輸入電平是-30dBm。用這樣的電平輸入時(shí)，規(guī)定頻譜儀產(chǎn)生的失真電平和假響應(yīng)電平小于-90dBm，即在-30dBm到-90dBm間出現(xiàn)的信號(hào)是真正的信號(hào)，這時(shí)，顯示器的動(dòng)態(tài)范圍有60dB。
（2）線性輸入信號(hào)電平，使輸入混頻器的特性保持線性的最大輸入信號(hào)電平叫線性輸入電平。所謂“線性”，是指允許輸入混頻器有1dB的增益壓縮。增益壓縮1dB,約產(chǎn)生12.2%的誤差。當(dāng)加到混頻器的信號(hào)電平在線性輸入電平范圍內(nèi)時(shí)，則增益壓壓縮小于1dB，這并不意味著在頻譜儀顯示器上不同生失真響應(yīng)和假響應(yīng)。只有當(dāng)輸入到混頻器的信號(hào)功率等于最佳輸入電平時(shí)，在示波屏上才不出現(xiàn)假響應(yīng)。通常，頻譜儀的線性輸入電平是-5dBm到-10dBm，視輸入混頻器的特性而定。
（3）最大輸入電平;
頻譜儀輸入回的燒毀電平叫頻譜儀的最大輸入電平。它由輸入衰減器和混頻器的特性決定。輸入混頻器的燒毀電平的典型值是+10dBm，輸入衰減器的燒毀電平是+30dBm。
在實(shí)際測量中，為使測量不失真，或使假響應(yīng)電平減至最小，應(yīng)經(jīng)常使用最佳輸入電平。就輸入端是單個(gè)大信號(hào)而言。采用最佳輸入電平，將會(huì)得到較滿意的測量結(jié)果。但當(dāng)輸入端存在多個(gè)高電平信號(hào)時(shí)，即使這些信號(hào)可能在頻譜儀的工作頻帶外，終因輸入端沒有選擇性，這些信號(hào)功率的迭加很容易使混頻器過載產(chǎn)生高階交互調(diào)失真，從而產(chǎn)生假響應(yīng)，因此有必要對所測信號(hào)以外的信號(hào)功率加以衰減，最好的辦法是加一個(gè)跟蹤濾波器，即預(yù)選器，如美國HP公司和西德R/S公司都有為其頻譜儀配套的預(yù)選器。
有些頻譜分析儀沒有配套的預(yù)選器，但可根據(jù)測量頻段加固定的帶通濾波器。此時(shí)，用頻譜分析儀和跟蹤信號(hào)發(fā)生器對通帶內(nèi)波動(dòng)、插入損耗仔細(xì)進(jìn)行測量并一一記錄下來，在測量場強(qiáng)時(shí)計(jì)入到天線校正系數(shù)去。如果連帶通濾波器也沒有，那么可按照所測頻段配置合適的高通濾波器。實(shí)踐證明，強(qiáng)電臺(tái)及電磁干擾大多集中在中、短波及調(diào)頻波段、VHF低端，在采用高通濾波器后，可把被測頻段以下的信號(hào)衰減40dB以上，這樣可大大減少互調(diào)、交調(diào)失真。
檢驗(yàn)混頻器是否工作在最佳狀態(tài)，可以采用射頻衰減器增加10dB，顯示減少10dB的方法驗(yàn)證。通常，-30~-35dBm為混頻器的最佳工作狀態(tài)，即頻譜儀的最佳輸入電平為-30~-35dBm。最佳輸入電平的擇定為以后進(jìn)一步的精確測量打下了良好基礎(chǔ)。
三、選擇合適的中頻帶寬
頻譜儀的中頻帶寬（又稱分辨率帶寬）很多，從1MHz到1kHz以下約有10檔左右。
但由于頻譜儀的連續(xù)掃描特性，它的濾波器是高斯型的矩形系數(shù)較大，一般60dB：3dB帶寬為10:1。而測試接收機(jī)的中頻濾波器矩形系數(shù)較小，一般60dB:6dB帶寬為2:1（一般測試接收機(jī)為雙調(diào)諧回路，且B3=0.8B6）。頻譜儀的噪聲系數(shù)較大，典型值為19dB，因此在頻帶寬相同的情況下，頻譜儀的噪聲電平比測試接收機(jī)高。
了解這些不同后，就可以根據(jù)實(shí)測情況及所測信號(hào)的特點(diǎn)，選擇合適的中頻帶寬。如果要測量間隔25KHz的兩相鄰信號(hào)，若它們的電平相差不大，則用10KHz的中頻帶寬就可以區(qū)分兩信號(hào)。如果電平相差較大，則必須用3kHz或1kHz的中頻帶寬才能區(qū)分兩信號(hào)。在選擇中頻帶寬時(shí)，還應(yīng)注意掃描時(shí)間，太快會(huì)使濾波器來不及響應(yīng)，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)。有些頻譜儀有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，特別是現(xiàn)代較先進(jìn)的它可將掃描時(shí)間自動(dòng)調(diào)節(jié)到與掃描頻寬、中頻帶寬相適應(yīng)。若是手動(dòng)調(diào)節(jié)的，應(yīng)注意一旦中頻帶寬改變，掃描時(shí)間也要相應(yīng)地變化，以保證準(zhǔn)確測量。
如果要測量較弱信號(hào)，就要減小中頻帶寬，使頻譜儀的噪聲電平低于被測信號(hào)。頻譜儀一般給出最小中頻帶寬以下的平均噪聲電平，中檔頻譜儀的典型值為-115dBm。為保證測量結(jié)果有效，應(yīng)使信噪比優(yōu)于6dB，故它可測量的最小電平為-109dBm即-2dBμV。實(shí)際上可測的最小電平還受到頻譜儀雜散響應(yīng)指標(biāo)的影響，而且當(dāng)被測信號(hào)小于1μV時(shí)，通過機(jī)殼、電源線等引入干擾會(huì)使測量結(jié)果不可靠。
四、怎樣保證測量精度
測試接收機(jī)都裝有標(biāo)準(zhǔn)脈沖振蕩器，以便在測量狀態(tài)，如頻率、衰減器、中頻帶寬改變時(shí)隨時(shí)可進(jìn)行校準(zhǔn)。其測量精度主要由標(biāo)準(zhǔn)振蕩器的準(zhǔn)確度及輸入失配誤差來決定，一般為±2dB
頻譜儀系采用固定頻率的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，當(dāng)測量頻率不同時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤差。同時(shí)，射頻衰減器參考電平、中頻帶寬、顯示刻度等的改變都會(huì)產(chǎn)生誤差。對于現(xiàn)代頻譜儀這些誤差一般為
校準(zhǔn)信號(hào)絕對誤差; ±0.3dB
頻率響應(yīng)（包括輸入失配); ±0.5~2dB
射頻衰減器改變; 1~2dB
參考電平改變; 0.5dB
中頻帶寬改變; 0.5~1dB
顯示刻度改變; 1dB
CRT顯示非線性誤差;1~2dB
粗看起來，這些誤差相加超過4.5dB，但實(shí)際上與測量方法有很大關(guān)系。測量時(shí)，如能保持與校準(zhǔn)時(shí)的儀器設(shè)置狀態(tài)一樣，就可使誤差減至最小。一般是采用中頻替代法，即在不改變中頻帶寬及顯示刻度的情況下，通過改變參考電平。使校準(zhǔn)信號(hào)電平與被測信號(hào)電平等于相應(yīng)的參考電平時(shí)，則被測信號(hào)電平值等于校準(zhǔn)信號(hào)電平值加上參考電平的改變量。值得注意的是，測量時(shí)保持信噪比大于12dB，這種測量的誤差僅取決于整個(gè)誤差的前四項(xiàng)可達(dá)到±2dB。當(dāng)然，也可用一臺(tái)校準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器的相同頻率來替代被測信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，那樣測出的精度會(huì)更高
五、對各種工業(yè)干擾場強(qiáng)的測量
目前頻譜分析儀所顯示的是被測信號(hào)的瞬時(shí)峰值，而國家標(biāo)準(zhǔn)和國際上對工業(yè)干擾推薦使用準(zhǔn)峰值測量，準(zhǔn)峰值檢波器可以模擬人耳對各種工業(yè)脈沖干擾的主觀特性，具有規(guī)定的充放電時(shí)間常數(shù)。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定準(zhǔn)峰值檢波器的充、放電時(shí)間常數(shù)是：在150KHz~30MHz，為1ms和160ms；在30-1000MHz則是1ms和550ms。峰值檢波器的時(shí)間常數(shù)沒有明確的規(guī)定，其充電時(shí)間常數(shù)又遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于準(zhǔn)峰值檢波器，一般充電時(shí)間常數(shù)在微秒級，而放電時(shí)間常數(shù)則在毫秒級，甚至秒級。嚴(yán)格講來，按照CISPR對準(zhǔn)峰值測量的規(guī)定，頻譜分析儀不完全適合準(zhǔn)峰值測量的規(guī)定，頻譜分析儀不完全適合準(zhǔn)峰值測量，但為了擴(kuò)展應(yīng)用范圍，美國HP公司、西德R/S公司和日本武田理研公司等均在其生產(chǎn)的頻譜儀上增加了CISPR測量（準(zhǔn)峰值測量）一檔，作為選件配置（定貨時(shí)要說明）。使用時(shí)應(yīng)注意，按照準(zhǔn)峰值時(shí)間常數(shù)規(guī)定，頻譜儀的掃描速度要慢，一般應(yīng)大于3~10s/MHz者手動(dòng)掃描。顯然如果要進(jìn)行寬頻率范圍或全頻段搜索掃描測量，這樣慢的掃速是無法令人接受的。但是加了CISPR檔的頻譜儀大多具有微處理器以及自動(dòng)測試功能，所以只要在測量方法上稍加改進(jìn)便可解決準(zhǔn)峰值充、放電時(shí)間常數(shù)帶來的測量矛盾。此方法是先用峰值檔快速全頻段掃描，找出干擾最大的幾個(gè)頻率點(diǎn)，而后用準(zhǔn)峰值在這幾個(gè)頻點(diǎn)附近慢慢地掃描，以判定是否合格。這些操作一般均可用自動(dòng)測試軟件完成，也可以手動(dòng)完成
此外，增加了CISPR檔的頻譜儀多半屬于臺(tái)式儀器，體積和重量都較大，僅適合于試驗(yàn)室或固定臺(tái)站使用，不適于野外移動(dòng)作業(yè)。
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