頻譜分析儀測量場強方法探討
2014-10-21
頻譜分析儀測量場強方法探討
頻譜分析儀是一種應用廣泛的信號分析儀器。它可用來測量信號的頻率、電平、波形失真、噪聲電平、頻譜特性等，加上標準天線還可用來測量場強。它的主要特點是：能寬頻帶連續(xù)掃描，并將測得的信號在CRT屏上直觀地顯示出來。在整個頻段內(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活動情況，所以在很多場合，頻譜儀正在替代場強儀成為電波測量中一種新的被廣泛應用的儀器。但必竟二者設計上有差異，因此使用側(cè)重面應有所有同，否則將會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，而在場強測量和有關電波傳播問題討論中，習慣采用dBμv/m為單位，因此首先就有一個單位轉(zhuǎn)換問題。實際上場強測量就是標準天線端感應電壓的測量，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。
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處理，顯示刻度可以自動轉(zhuǎn)換。在實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
一般測試接收機的輸入端都有帶有調(diào)諧式高放電路，以抑制帶外信號，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。當信號電平較高時，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)。
為使混頻器進行線性變頻，中頻放大器進行線性放大，使示波屏上出現(xiàn)的假響應電平縮至最小，這就要求加在混頻器上的輸入信號功率越小越好；而為了擴大測量電平的動態(tài)范圍，則要求輸入功率越大越好。為此對輸入信號電平的選擇有如下三個規(guī)定：
（1）最佳輸入信號電平
在頻譜儀輸入混頻器上輸入信號時，使所產(chǎn)生的失真電平小于某個規(guī)定電平時的輸入信號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，規(guī)定頻譜儀產(chǎn)生的失真電平和假響應電平小于-90dBm，即在-30dBm到-90dBm間出現(xiàn)的信號是真正的信號，這時，顯示器的動態(tài)范圍有60dB。
（2）線性輸入信號電平，使輸入混頻器的特性保持線性的最大輸入信號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。當加到混頻器的信號電平在線性輸入電平范圍內(nèi)時，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和假響應。只有當輸入到混頻器的信號功率等于最佳輸入電平時，在示波屏上才不出現(xiàn)假響應。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。
在實際測量中，為使測量不失真，或使假響應電平減至最小，應經(jīng)常使用最佳輸入電平。就輸入端是單個大信號而言。采用最佳輸入電平，將會得到較滿意的測量結(jié)果。但當輸入端存在多個高電平信號時，即使這些信號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，因此有必要對所測信號以外的信號功率加以衰減，最好的辦法是加一個跟蹤濾波器，即預選器，如美國HP公司和西德R/S公司都有為其頻譜儀配套的預選器。
有些頻譜分析儀沒有配套的預選器，但可根據(jù)測量頻段加固定的帶通濾波器。此時，用頻譜分析儀和跟蹤信號發(fā)生器對通帶內(nèi)波動、插入損耗仔細進行測量并一一記錄下來，在測量場強時計入到天線校正系數(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。實踐證明，強電臺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衰減40dB以上，這樣可大大減少互調(diào)、交調(diào)失真。
檢驗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一步的精確測量打下了良好基礎。
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高。
了解這些不同后，就可以根據(jù)實測情況及所測信號的特點，選擇合適的中頻帶寬。如果要測量間隔25KHz的兩相鄰信號，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。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。在選擇中頻帶寬時，還應注意掃描時間，太快會使濾波器來不及響應，導致測量不準。有些頻譜儀有自動調(diào)節(jié)功能，特別是現(xiàn)代較先進的它可將掃描時間自動調(diào)節(jié)到與掃描頻寬、中頻帶寬相適應。若是手動調(diào)節(jié)的，應注意一旦中頻帶寬改變，掃描時間也要相應地變化，以保證準確測量。
如果要測量較弱信號，就要減小中頻帶寬，使頻譜儀的噪聲電平低于被測信號。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，應使信噪比優(yōu)于6dB，故它可測量的最小電平為-109dBm即-2dBμV。實際上可測的最小電平還受到頻譜儀雜散響應指標的影響，而且當被測信號小于1μV時，通過機殼、電源線等引入干擾會使測量結(jié)果不可靠。
四、怎樣保證測量精度
測試接收機都裝有標準脈沖振蕩器，以便在測量狀態(tài)，如頻率、衰減器、中頻帶寬改變時隨時可進行校準。其測量精度主要由標準振蕩器的準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準信號進行校準，當測量頻率不同時就會產(chǎn)生誤差。同時，射頻衰減器參考電平、中頻帶寬、顯示刻度等的改變都會產(chǎn)生誤差。對于現(xiàn)代頻譜儀這些誤差一般為
校準信號絕對誤差; ±0.3dB
頻率響應（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，但實際上與測量方法有很大關系。測量時，如能保持與校準時的儀器設置狀態(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。使校準信號電平與被測信號電平等于相應的參考電平時，則被測信號電平值等于校準信號電平值加上參考電平的改變量。值得注意的是，測量時保持信噪比大于12dB，這種測量的誤差僅取決于整個誤差的前四項可達到±2dB。當然，也可用一臺校準信號發(fā)生器的相同頻率來替代被測信號進行標定，那樣測出的精度會更高
五、對各種工業(yè)干擾場強的測量
目前頻譜分析儀所顯示的是被測信號的瞬時峰值，而國家標準和國際上對工業(yè)干擾推薦使用準峰值測量，準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)定的充放電時間常數(shù)。國家標準規(guī)定準峰值檢波器的充、放電時間常數(shù)是：在150KHz~30MHz，為1ms和160ms；在30-1000MHz則是1ms和550ms。峰值檢波器的時間常數(shù)沒有明確的規(guī)定，其充電時間常數(shù)又遠遠小于準峰值檢波器，一般充電時間常數(shù)在微秒級，而放電時間常數(shù)則在毫秒級，甚至秒級。嚴格講來，按照CISPR對準峰值測量的規(guī)定，頻譜分析儀不完全適合準峰值測量的規(guī)定，頻譜分析儀不完全適合準峰值測量，但為了擴展應用范圍，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（準峰值測量）一檔，作為選件配置（定貨時要說明）。使用時應注意，按照準峰值時間常數(shù)規(guī)定，頻譜儀的掃描速度要慢，一般應大于3~10s/MHz者手動掃描。顯然如果要進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測試功能，所以只要在測量方法上稍加改進便可解決準峰值充、放電時間常數(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頻率點，而后用準峰值在這幾個頻點附近慢慢地掃描，以判定是否合格。這些操作一般均可用自動測試軟件完成，也可以手動完成
此外，增加了CISPR檔的頻譜儀多半屬于臺式儀器，體積和重量都較大，僅適合于試驗室或固定臺站使用，不適于野外移動作業(yè)。
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