淺談頻譜分析儀的原理和計量

【摘 要】 頻譜分析儀是對無線電信號進行測量的必備儀器，是從事電子產品研發、生產、檢驗的常用工具。本文主要介紹了頻譜分析儀的組成原理、計量特性和校準注意事項。

【關鍵詞】 頻譜分析儀 原理 校準

【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頻譜結構的儀器。頻譜分析儀可以集成功率計、頻率計、網絡分析儀等眾多儀器的主要功能，完成對信號有關指標的測量，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字采樣技術，受其采樣率的影響，因此限制了它對高頻信號的分析。超外差掃描型頻譜分析儀是靠電路硬件去實現的，而不是通過數學變換實現的一種頻譜儀。這種頻譜分析儀的優點是只要我們把元器件的頻率做得很高，其分析能力就會很強。缺點是在儀器達到較高的分辨力時，其測量、分析的時間也會相應跟著增加。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等部分組成。在這些部件的共同作用下，完成對信號的變換、選擇及頻譜的顯示。

射頻衰減器是步進衰減器，它主要使頻譜分析儀保持良好的匹配特性并預防信號輸入不當時而導致的其它部件的損壞和產生過大的非線性失真。

為提高頻譜分析儀的頻率準確度，本振信號通常采用合成信號，即本振經鎖相環鎖定在參考信號上。參考信號通常由一個溫控晶振產生，一般頻譜分析儀的后面板都會有參考信號輸出。

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

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

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鍵部件，頻譜分析儀主要利用該部件來區分不同頻率的信號。

視頻濾波器是低通濾波器，它決定了視頻放大器的帶寬（VBW），調整VBW有利于頻譜分析儀發現淹沒在噪聲中的小功率信號，提高測量的重復性。

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。要使頻譜分析儀得到最好的靈敏度，通常有以下3個方法：（1）最窄的RBW；（2）VBW應是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置有矛盾，如：測量時間增大，0dB衰減會增加輸入的駐波比，降低測量準確度等。總之，頻譜分析儀的最佳工作狀態是由諸多因素、參數決定的，不能片面追求某一指標的完美，需要統籌考慮。

3 頻譜分析儀的校準注意事項

校準頻譜分析儀時要注意以下幾點：

（1）要按照JJF 1396-2013《頻譜分析儀校準規范》中的規定，嚴格控制環境條件，并將被校頻譜分析儀開機預熱半小時以上再開始校準。

（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，防止因為接錯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，也要注意將其外殼與地端相接，否則可能會因為靜電造成的瞬時電壓很高，把有元器件擊穿。

（4）頻譜分析儀不能輸入直流信號，否則會損壞內部電路元器件。

（5）在校準前應保證標準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，防止因為失配導致電平等參數測量不準確，還要保證所有設備具有良好的接地。

（6）通常頻譜分析儀的輸入功率為30dBm（1W），所以要控制標準裝置的輸出，使其輸出功率不能大于30dBm，否則會因為過載燒壞頻譜分析儀。如無特殊說明，信號源的輸出應為正弦波。為了保護頻譜分析儀和標準裝置，一定要注意防止直流信號輸入到頻譜分析儀內，最好在標準裝置和頻譜分析儀之間接入一個隔直器以起到防護的作用。

（7）在對頻譜分析儀校準之前還有很重要的一項工作，那就是對被校頻譜分析儀進行自校準。當頻譜分析儀經過振動、運輸、長時間放置或大的環境溫度變化時，其頻率調諧會發生變化從而產生頻率測量誤差，同時其幅度測量準確度也會發生變化。這種情況下，頻譜分析儀可以使用內部自帶的校準信號，對中心頻率、掃頻寬度、掃描時間、幅度、分辨力帶寬濾波器、對數放大器以及輸入衰減器等進行頻率和幅度的誤差測量并校正。如若自校準失敗的話，那就證明被校頻譜分析儀不能正常工作，此時無需再進行校準工作，可聯系客戶將其返廠維修。

（8）為了保證頻譜分析儀校準時頻率和幅度等各項參數能夠準確測量出來，需要將標準裝置的參考輸出和被校頻譜分析儀的參考輸入相連，或者是將標準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來同步頻譜分析儀的作用，減少因為采用不同晶振而導致的測量誤差。

作者簡介

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

姜欣怡，本科，目前于大連市計量檢測研究院從事計量檢測相關工作。