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讓實驗數(shù)據(jù)來說話,幅度精度及校準(zhǔn)對頻譜分析儀的影響

發(fā)布時間:2016-07-29 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】本文要討論的是頻譜分析儀的幅度精度,問題來源于日常測試中對頻譜分析儀的設(shè)置及其最終測試結(jié)果的一些疑惑,帶著這些問題,筆者設(shè)計了一個通用的開關(guān)電路對頻譜分析儀的幅度精度進(jìn)行了校準(zhǔn)測量。

前言
 
有著“射頻萬用表”之稱的頻譜分析儀是一種應(yīng)用非常廣泛的射頻和微波基礎(chǔ)測量儀器。經(jīng)常被用于測量放大器/發(fā)射機(jī)的諧波和雜散測量、無源互調(diào)測量,而在空中電磁環(huán)境測量中,頻譜分析儀更是擔(dān)當(dāng)了重要的角色。
 
頻譜分析儀的幅度精度 ——廠家的定義
 
通常,要描述一臺頻譜分析儀的幅度精度,需要有一些附加的設(shè)置條件,以下是一臺新型頻譜分析儀對3.5-8.4GHz頻率范圍內(nèi)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的誤差說明了頻譜分析儀不能作為功率計測量的標(biāo)準(zhǔn),如果用頻譜分析儀去測量一臺發(fā)射機(jī)的功率,不計耦合誤差,僅僅頻譜分析儀的誤差就會高達(dá)+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(shè)置條件下,上述的誤差會變化多少?
 
筆者在日常工作中遇到過不少大信號和小信號的測試案例,隨著頻譜分析儀設(shè)置的不同,最終的測試結(jié)果似乎也有些變化。我們可以隨意列舉一些測試條件的可能變化:
大信號測試時(如0dBm)要設(shè)置衰減器,如20dB;
測量微弱信號時,比如-130dBm,則需要開啟預(yù)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;
參考電平放在什么位置?
多載頻存在于頻譜分析儀的輸入端時,其自身的非線性可能會導(dǎo)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(huán)境溫度會有變化,尤其在野外應(yīng)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(yè)內(nèi)人士,遺憾的事,并沒有得到明確的答案。           
 
通過實驗來尋找答案
 
帶著諸多疑問,筆者設(shè)計了一個測試系統(tǒng)(圖1),希望能通過試驗數(shù)據(jù)來尋找答案。
 
圖1. 頻譜分析儀校準(zhǔn)系統(tǒng)
 
在圖1中,微波信號發(fā)生器所產(chǎn)生的信號經(jīng)過一個可編程的帶通濾波器到達(dá)一個SPDT微波開關(guān)的輸入端(RF1),開關(guān)的二個輸出端J1和J2分別接需要被校準(zhǔn)的頻譜分析儀和標(biāo)準(zhǔn)功率計。在校準(zhǔn)測試過程中,功率計讀一次來自信號源的幅度后,開關(guān)即刻切換到頻譜分析儀,并記錄頻譜分析儀針對信號源幅度的讀數(shù)。
 
在測試過程中,每個參數(shù)的變化均以功率計為參照值,頻譜分析儀與功率計讀數(shù)的差值即為頻譜分析儀的精度偏差。
 
針對圖1的校準(zhǔn)電路,有以下幾點說明。
 
一、為什么要用功率計作為計量標(biāo)準(zhǔn)? 
         
在圖1所示的校準(zhǔn)測試系統(tǒng)中,是以終端式功率計作為參照標(biāo)準(zhǔn)的。我們知道,在微波和射頻的幅度計量儀器中,功率計是被認(rèn)為具有最高精度的,現(xiàn)代功率計的精度可以達(dá)到1.95%的總誤差,可換算成±0.016dB的誤差,這個誤差要比標(biāo)稱最高精度的頻譜分析儀好一個數(shù)量級,完全可以作為頻譜分析儀的校準(zhǔn)參考。                  
              
二、為什么要采用可編程濾波器?  
  
微波信號源具有諧波輸出,某些用于自動化測試的模塊化信號源的二次諧波可能高達(dá)-15dBc,這個諧波信號與載頻信號會同時進(jìn)入功率計,而功率計并不能識別是有用信號還是諧波信號,因此這二個信號會被同時功率計讀出來并認(rèn)為是參照標(biāo)準(zhǔn)。-15dBc的諧波可能會額外產(chǎn)生3%的誤差,采用濾波器可以有效避免這一誤差。
 
可編程濾波器可以自動跟蹤微波信號源的頻率,這樣大大提高了測試效率。因為頻譜分析儀的校準(zhǔn)可能會產(chǎn)生海量的測試數(shù)據(jù),自動化測試手段是必需的。
            
三、用開關(guān)還是功分器 ? 
   
在圖1中,采用了一個SPDT微波開關(guān)來比較被校準(zhǔn)的頻譜分析儀和標(biāo)準(zhǔn)功率計的讀數(shù)。在這個位置,有人提出采用二路功率分配器,筆者認(rèn)為采用功分器時,有二個細(xì)節(jié)不能忽略:
 
- 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(dá)到0.2-0.5dB;這個誤差是難以接受的;而開關(guān)的二個輸出端是同一個物理通道,其可重復(fù)性小于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(jìn)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這二個端口之間只有6dB的隔離度。問題就可能出在這里,校準(zhǔn)測試過程中,頻譜分析儀接在J1端,功率計接在J2端,由于頻譜分析儀的輸入端存在較大的回波損耗,如-10dB,那么來自RF IN端口的射頻測試信號經(jīng)過功分器后在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(chǎn)生2.5%的誤差。
 
鑒于上述理由,筆者認(rèn)為長壽命的開關(guān)更加適合于這種校準(zhǔn)測試。但通常認(rèn)為微波開關(guān)存在壽命問題,正常的微波開關(guān)的壽命是1百萬次,而在圖1的校準(zhǔn)系統(tǒng)中,采用了指標(biāo)為1千萬次的微波開關(guān),這種開關(guān)的實測壽命超過3億次,足夠應(yīng)付海量數(shù)據(jù)的測試要求。                
 
讓實驗數(shù)據(jù)來告訴我們
 
根據(jù)圖1,筆者針對A和B二種頻譜分析儀進(jìn)行了一系列的比對測試,以下分別加以描述。
 
SPAN變化對頻譜分析儀幅度精度的影響
 
這項測試在1GHz時進(jìn)行,二臺頻譜分析儀的設(shè)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變化一次并記錄測試數(shù)據(jù)。
 
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,記錄二臺頻譜分析儀的幅度讀數(shù)。為了保證測試的一致性,頻譜分析儀的其它參數(shù)均不作改變,測試結(jié)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(dāng)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(dāng)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(jié)果我們發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(dǎo)致了約0.4dB的誤差。
 
RBW變化對頻譜分析儀幅度精度的影響
 
在這項測試中,信號源的頻率始終保持在1GHz,二臺頻譜分析儀的設(shè)置均為FC=1GHz,Span=1MHz,Attn=20dB;輸入到功率計的功率從-39dBm至+3dBm,每1dB變化一次并記錄測試數(shù)據(jù)。
 
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,記錄二臺頻譜分析儀的幅度讀數(shù)。為了保證測試的一致性,頻譜分析儀的其它參數(shù)均不作改變,測試結(jié)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(chǎn)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(jié)果我們發(fā)現(xiàn),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。
 
不同Detector對頻譜分析儀幅度精度的影響
 
這項測試中在1GHz時進(jìn)行,二臺頻譜分析儀的設(shè)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變化一次并記錄測試數(shù)據(jù)。
 
在測試過程中,分別在頻譜分析儀的Detector設(shè)置為Positive和Sample二種條件下,記錄二臺頻譜分析儀的幅度讀數(shù)。為了保證測試的一致性,頻譜分析儀的其它參數(shù)均不作改變,測試結(jié)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(jié)果我們發(fā)現(xiàn),在Positive和Sample這二種Detector條件下,對于連續(xù)波信號的測試,二臺頻譜分析儀的幅度誤差變化甚微,而對于調(diào)制信號,還需要類似的測試來進(jìn)一步驗證。
 
不同頻率時頻譜分析儀的幅度精度
 
在這項測試中,二臺頻譜分析儀的設(shè)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變化一次并記錄測試數(shù)據(jù)。
 
在測試過程中,分別在測試頻率為1GHz和2GHz二種條件下,記錄二臺頻譜分析儀的幅度讀數(shù)。為了保證測試的一致性,頻譜分析儀的其它參數(shù)均不作改變,測試結(jié)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(jié)果我們發(fā)現(xiàn),在1GHz和2GHz這二種頻率條件下所測得的二臺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(yīng)指標(biāo)。
 
不同輸入衰減時頻譜分析儀的幅度精度
 
在這項測試中,二臺頻譜分析儀的設(shè)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變化一次并記錄測試數(shù)據(jù)。
 
在測試過程中,分別在輸入衰減為0dB、10dB和20dB三種條件下,記錄二臺頻譜分析儀的幅度讀數(shù)。為了保證測試的一致性,頻譜分析儀的其它參數(shù)均不作改變,測試結(jié)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(jié)果顯然說明了頻譜分析儀的輸入衰減器的精度。
 
上述測試結(jié)果僅僅說明了頻譜分析儀在不同的設(shè)置條件下的幅度測試精度是有變化的,而且這個變化不容忽略。但是頻譜分析儀的幅度精度究竟該如何定義?如何理解廠家公布的指標(biāo)?我們在日常測試中如何掌握頻譜分析儀的測試精度并且加以修正?這些問題的答案都需要進(jìn)一步的試驗來驗證,因為頻譜儀的測試條件畢竟是太多了,單從幾項粗略的試驗無法得出對測試者具有實用性價值的建議。
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