淺談?lì)l譜分析儀的原理和計(jì)量

【摘 要】 頻譜分析儀是對無線電信號(hào)進(jìn)行測量的必備儀器，是從事電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)的常用工具。本文主要介紹了頻譜分析儀的組成原理、計(jì)量特性和校準(zhǔn)注意事項(xiàng)。

【關(guān)鍵詞】 頻譜分析儀 原理 校準(zhǔn)

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2016.02.007

1 引言

頻譜分析儀又被稱為頻域示波器，它是用來研究電信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的儀器。頻譜分析儀可以集成功率計(jì)、頻率計(jì)、網(wǎng)絡(luò)分析儀等眾多儀器的主要功能，完成對信號(hào)有關(guān)指標(biāo)的測量，堪稱射頻測量的集大成者。

2 頻譜分析儀的原理

頻譜分析儀主要分為兩種類型：快速傅里葉變換型和超外差掃描型。快速傅里葉變換型頻譜分析儀由于其采用的是數(shù)字采樣技術(shù)，受其采樣率的影響，因此限制了它對高頻信號(hào)的分析。超外差掃描型頻譜分析儀是靠電路硬件去實(shí)現(xiàn)的，而不是通過數(shù)學(xué)變換實(shí)現(xiàn)的一種頻譜儀。這種頻譜分析儀的優(yōu)點(diǎn)是只要我們把元器件的頻率做得很高，其分析能力就會(huì)很強(qiáng)。缺點(diǎn)是在儀器達(dá)到較高的分辨力時(shí)，其測量、分析的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)跟著增加。超外差掃描型頻譜分析儀基本工作原理圖如圖1所示。

由圖1可看出，頻譜分析儀主要由射頻衰減器、混頻器、中頻放大器、中頻濾波器、檢波器、視頻濾波器和本振信號(hào)等部分組成。在這些部件的共同作用下，完成對信號(hào)的變換、選擇及頻譜的顯示。

射頻衰減器是步進(jìn)衰減器，它主要使頻譜分析儀保持良好的匹配特性并預(yù)防信號(hào)輸入不當(dāng)時(shí)而導(dǎo)致的其它部件的損壞和產(chǎn)生過大的非線性失真。

為提高頻譜分析儀的頻率準(zhǔn)確度，本振信號(hào)通常采用合成信號(hào)，即本振經(jīng)鎖相環(huán)鎖定在參考信號(hào)上。參考信號(hào)通常由一個(gè)溫控晶振產(chǎn)生，一般頻譜分析儀的后面板都會(huì)有參考信號(hào)輸出。

混頻器的主要功能是完成信號(hào)的頻譜搬移，將不同的頻率輸入轉(zhuǎn)換成一個(gè)固定的中頻。混頻器的輸出端產(chǎn)生的信號(hào)包括原始輸入信號(hào)、本振信號(hào)、輸入信號(hào)的和頻與差頻信號(hào)。

中頻放大器是用于在不影響混頻器輸入電平的情況下，調(diào)整輸入信號(hào)的垂直顯示位置。

中頻濾波器是帶通濾波器，它的帶寬也被稱為頻譜分析儀的分辨力帶寬（RBW）。中頻濾波器是頻譜分析儀的關(guān)鍵部件，頻譜分析儀主要利用該部件來區(qū)分不同頻率的信號(hào)。

視頻濾波器是低通濾波器，它決定了視頻放大器的帶寬（VBW），調(diào)整VBW有利于頻譜分析儀發(fā)現(xiàn)淹沒在噪聲中的小功率信號(hào)，提高測量的重復(fù)性。

這里介紹一下頻譜分析儀的靈敏度概念，靈敏度簡單地說就是指最小可檢測到的信號(hào)。要使頻譜分析儀得到最好的靈敏度，通常有以下3個(gè)方法：（1）最窄的RBW；（2）VBW應(yīng)是RBW的百分之一；（3）最小的輸入衰減。但是最好的靈敏度可能與其它測量設(shè)置有矛盾，如：測量時(shí)間增大，0dB衰減會(huì)增加輸入的駐波比，降低測量準(zhǔn)確度等。總之，頻譜分析儀的最佳工作狀態(tài)是由諸多因素、參數(shù)決定的，不能片面追求某一指標(biāo)的完美，需要統(tǒng)籌考慮。

3 頻譜分析儀的校準(zhǔn)注意事項(xiàng)

校準(zhǔn)頻譜分析儀時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

（1）要按照J(rèn)JF 1396-2013《頻譜分析儀校準(zhǔn)規(guī)范》中的規(guī)定，嚴(yán)格控制環(huán)境條件，并將被校頻譜分析儀開機(jī)預(yù)熱半小時(shí)以上再開始校準(zhǔn)。

（2）要注意電源電壓，確定頻譜分析儀的工作電源電壓后再開機(jī)，防止因?yàn)榻渝e(cuò)電源電壓對儀器造成損壞。

（3）電源電壓要有良好的接地，使用頻譜分析儀時(shí)，也要注意將其外殼與地端相接，否則可能會(huì)因?yàn)殪o電造成的瞬時(shí)電壓很高，把有元器件擊穿。

（4）頻譜分析儀不能輸入直流信號(hào)，否則會(huì)損壞內(nèi)部電路元器件。

（5）在校準(zhǔn)前應(yīng)保證標(biāo)準(zhǔn)裝置與被校頻譜分析儀之間有良好的阻抗匹配，是選擇50Ω阻抗還是75Ω阻抗，防止因?yàn)槭鋵?dǎo)致電平等參數(shù)測量不準(zhǔn)確，還要保證所有設(shè)備具有良好的接地。

（6）通常頻譜分析儀的輸入功率為30dBm（1W），所以要控制標(biāo)準(zhǔn)裝置的輸出，使其輸出功率不能大于30dBm，否則會(huì)因?yàn)檫^載燒壞頻譜分析儀。如無特殊說明，信號(hào)源的輸出應(yīng)為正弦波。為了保護(hù)頻譜分析儀和標(biāo)準(zhǔn)裝置，一定要注意防止直流信號(hào)輸入到頻譜分析儀內(nèi)，最好在標(biāo)準(zhǔn)裝置和頻譜分析儀之間接入一個(gè)隔直器以起到防護(hù)的作用。

（7）在對頻譜分析儀校準(zhǔn)之前還有很重要的一項(xiàng)工作，那就是對被校頻譜分析儀進(jìn)行自校準(zhǔn)。當(dāng)頻譜分析儀經(jīng)過振動(dòng)、運(yùn)輸、長時(shí)間放置或大的環(huán)境溫度變化時(shí)，其頻率調(diào)諧會(huì)發(fā)生變化從而產(chǎn)生頻率測量誤差，同時(shí)其幅度測量準(zhǔn)確度也會(huì)發(fā)生變化。這種情況下，頻譜分析儀可以使用內(nèi)部自帶的校準(zhǔn)信號(hào)，對中心頻率、掃頻寬度、掃描時(shí)間、幅度、分辨力帶寬濾波器、對數(shù)放大器以及輸入衰減器等進(jìn)行頻率和幅度的誤差測量并校正。如若自校準(zhǔn)失敗的話，那就證明被校頻譜分析儀不能正常工作，此時(shí)無需再進(jìn)行校準(zhǔn)工作，可聯(lián)系客戶將其返廠維修。

（8）為了保證頻譜分析儀校準(zhǔn)時(shí)頻率和幅度等各項(xiàng)參數(shù)能夠準(zhǔn)確測量出來，需要將標(biāo)準(zhǔn)裝置的參考輸出和被校頻譜分析儀的參考輸入相連，或者是將標(biāo)準(zhǔn)裝置的參考輸入和被校頻譜分析儀的參考輸出相連，這樣起到用外部參考頻標(biāo)來同步頻譜分析儀的作用，減少因?yàn)椴捎貌煌д穸鴮?dǎo)致的測量誤差。

作者簡介

孫艷，碩士研究生，工程師，目前于大連市計(jì)量檢測研究院從事的無線電計(jì)量、時(shí)間頻率計(jì)量和電磁計(jì)量工作。

姜欣怡，本科，目前于大連市計(jì)量檢測研究院從事計(jì)量檢測相關(guān)工作。