|
发布人：陈匡军——上海峰志仪器网 发表日期: 2005-07-19
频谱分析仪测量场强方法探讨
频谱分析仪是一种应用广泛的信号分析仪器。它可用来测量信号的频率、电平、波形失真、噪声电平、频谱特性等，加上标准天线还可用来测量场强。它的主要特点是：能宽频带连续扫描，并将测得的信号在CRT屏上直观地显示出来。在整个频段内，电平显示范围大于70dB，在无线电电波测量中可以很方便地看出频谱占用和信号活动情况，所以在很多场合，频谱仪正在替代场强仪成为电波测量中一种新的被广泛应用的仪器。但必竟二者设计上有差异，因此使用侧重面应有所有同，否则将会带来很大的测量误差。
一、电平刻度的转换和阻抗匹配问题
通常，频谱仪的显示刻度单位是dBm，而在场强测量和有关电波传播问题讨论中，习惯采用dBμv/m为单位，因此首先就有一个单位转换问题。实际上场强测量就是标准天线端感应电压的测量，因此只要将频谱仪的读数换算成电压单位，加上天线的天线系数即可求得待测场强。
频谱仪的单位换算系数随其输入阻抗的不同而不同，对于50Ω系统，
VdBuV=PdBm+107dB 而对于75Ω系统，则 VdBuV=PdBm+108.8dB
现代频谱仪多采用微机处理，显示刻度可以自动转换。在实际测量中要特别注意天线阻抗与测试系统的匹配问题，避免产生失配误差。由于频谱仪在使用中是进行宽带扫描，所以所用天线要求也都是宽带天线，而宽带天线的VSWR一般都较大，如果与频谱仪联接的不是匹配天线，则要对所用天线的天线系数重新校对。
在实际测量中，输入衰减器不宜放在0dB的位置，如果衰减器置0，输入信号直接接到混频器上，则阻抗特性变差，造成较大的失配误差。
二、防止频谱分析仪过载
一般测试接收机的输入端都有带有调谐式高放电路，以抑制带外信号，提高灵敏度。
而频谱分析仪由于其宽带连续快速扫描的特性，输入端一般都直接接到**混频器上。当信号电平较高时，混频器工作在非线性变频状态，将产生高阶互调和混频增益压缩，而且过高的电平（一般大于5dBm）将烧坏混频器，故在使用中要合理地选择射频衰减器以确保线性工作状态。
为使混频器进行线性变频，中频放大器进行线性放大，使示波屏上出现的假响应电平缩至*小，这就要求加在混频器上的输入信号功率越小越好；而为了扩大测量电平的动态范围，则要求输入功率越大越好。为此对输入信号电平的选择有如下三个规定：
（1）*佳输入信号电平 在频谱仪输入混频器上输入信号时，使所产生的失真电平小于某个规定电平时的输入信号电平叫*佳输入电平。它随混频器的构造不同而有所不同，通常频谱仪的*佳输入电平是-30dBm。用这样的电平输入时，规定频谱仪产生的失真电平和假响应电平小于-90dBm，即在-30dBm到-90dBm间出现的信号是真正的信号，这时，显示器的动态范围有60dB。
（2）线性输入信号电平，使输入混频器的特性保持线性的*大输入信号电平叫线性输入电平。所谓“线性”，是指允许输入混频器有1dB的增益压缩。增益压缩1dB,约产生12.2%的误差。当加到混频器的信号电平在线性输入电平范围内时，则增益压压缩小于1dB，这并不意味着在频谱仪显示器上不同生失真响应和假响应。只有当输入到混频器的信号功率等于*佳输入电平时，在示波屏上才不出现假响应。通常，频谱仪的线性输入电平是-5dBm到-10dBm，视输入混频器的特性而定。
（3）*大输入电平 频谱仪输入回的烧毁电平叫频谱仪的*大输入电平。它由输入衰减器和混频器的特性决定。输入混频器的烧毁电平的典型值是+10dBm，输入衰减器的烧毁电平是+30dBm。
在实际测量中，为使测量不失真，或使假响应电平减至*小，应经常使用*佳输入电平。就输入端是单个大信号而言。采用*佳输入电平，将会得到较满意的测量结果。但当输入端存在多个高电平信号时，即使这些信号可能在频谱仪的工作频带外，终因输入端没有选择性，这些信号功率的迭加很容易使混频器过载产生高阶交互调失真，从而产生假响应，因此有必要对所测信号以外的信号功率加以衰减，*好的办法是加一个跟踪滤波器，即预选器，如美国HP公司和西德R/S公司都有为其频谱仪配套的预选器。
有些频谱分析仪没有配套的预选器，但可根据测量频段加固定的带通滤波器。此时，用频谱分析仪和跟踪信号发生器对通带内波动、插入损耗仔细进行测量并一一记录下来，在测量场强时计入到天线校正系数去。如果连带通滤波器也没有，那么可按照所测频段配置合适的高通滤波器。实践证明，强电台及电磁干扰大多集中在中、短波及调频波段、VHF低端，在采用高通滤波器后，可把被测频段以下的信号衰减40dB以上，这样可大大减少互调、交调失真。
检验混频器是否工作在*佳状态，可以采用射频衰减器增加10dB，显示减少10dB的方法验证。通常，-30~-35dBm为混频器的*佳工作状态，即频谱仪的*佳输入电平为-30~-35dBm。*佳输入电平的择定为以后进一步的**测量打下了良好基础。
三、选择合适的中频带宽
频谱仪的中频带宽（又称分辨率带宽）很多，从1MHz到1kHz以下约有10档左右。
但由于频谱仪的连续扫描特性，它的滤波器是高斯型的矩形系数较大，一般60dB：3dB带宽为10:1。而测试接收机的中频滤波器矩形系数较小，一般60dB:6dB带宽为2:1（一般测试接收机为双调谐回路，且B3=0.8B6）。频谱仪的噪声系数较大，典型值为19dB，因此在频带宽相同的情况下，频谱仪的噪声电平比测试接收机高。
了解这些不同后，就可以根据实测情况及所测信号的特点，选择合适的中频带宽。如
果要测量间隔25KHz的两相邻信号，若它们的电平相差不大，则用10KHz的中频带宽就可以区分两信号。如果电平相差较大，则必须用3kHz或1kHz的中频带宽才能区分两信号。在选择中频带宽时，还应注意扫描时间，太快会使滤波器来不及响应，导致测量不准。有些频谱仪有自动调节功能，特别是现代较先进的它可将扫描时间自动调节到���扫描频宽、中频带宽相适应。若是手动调节的，应注意一旦中频带宽改变，扫描时间也要相应地变化，以保证准确测量。
如果要测量较弱信号，就要减小中频带宽，使频谱仪的噪声电平低于被测信号。频谱仪一般给出*小中频带宽以下的平均噪声电平，中档频谱仪的典型值为-115dBm。为保证测量结果有效，应使信噪比优于6dB，故它可测量的*小电平为-109dBm即-2dBμV。实际上可测的*小电平还受到频谱仪杂散响应指标的影响，而且当被测信号小于1μV时，通过机壳、电源线等引入干扰会使测量结果不可靠。
四、怎样保证测量精度
测试接收机都装有标准脉冲振荡器，以便在测量状态，如频率、衰减器、中频带宽改变时随时可进行校准。其测量精度主要由标准振荡器的准确度及输入失配误差来决定，一般为±2dB。
频谱仪系采用固定频率的标准信号进行校准，当测量频率不同时就会产生误差。同时，射频衰减器参考电平、中频带宽、显示刻度等的改变都会产生误差。对于现代频谱仪这些误差一般为：
校准信号**误差 ±0.3dB
频率响应（包括输入失配） ±0.5~2dB
射频衰减器改变 1~2dB
参考电平改变 0.5dB
中频带宽改变 0.5~1dB
显示刻度改变 1dB
CRT显示非线性误差 1~2dB
粗看起来，这些误差相加超过4.5dB，
但实际上与测量方法有很大关系。测量时，如能保持与校准时的仪器设置状态一样，就可使误差减至*小。一般是采用中频替代法，即在不改变中频带宽及显示刻度的情况下，通过改变参考电平。使校准信号电平与被测信号电平等于相应的参考电平时，则被测信号电平值等于校准信号电平值加上参考电平的改变量。值得注意的是，测量时保持信噪比大于12dB，这种测量的误差仅取决于整个误差的前四项可达到±2dB。 当然，也可用一台校准信号发生器的相同频率来替代被测信号进行标定，那样测出的精度会更高。
五、对各种工业干扰场强的测量
目前频谱分析仪所显示的是被测信号的瞬时峰值，而国家标准和国际上对工业干扰推 荐使用准峰值测量，准峰值检波器可以模拟人耳对各种工业脉冲干扰的主观特性，具有规定的充放电时间常数。国家标准规定准峰值检波器的充、放电时间常数是：在150KHz~30MHz，为1ms和160ms；在30-1000MHz则是1ms和550ms。峰值检波器的时间常数没有明确的规定，其充电时间常数又远远小于准峰值检波器，一般充电时间常数在微秒级，而放电时间常数则在毫秒级，甚至秒级。严格讲来，按照CISPR对准峰值测量的规定，频谱分析仪不完全适合准峰值测量的规定，频谱分析仪不完全适合准峰值测量，但为了扩展应用范围，美国HP公司、西德R/S公司和日本武田理研公司等均在其生产的频谱仪上增加了CISPR测量（准峰值测量）一档，作为选件配置（定货时要说明）。使用时应注意，按照准峰值时间常数规定，频谱仪的扫描速度要慢，一般应大于3~10s/MHz，或者手动扫描。显然如果要进行宽频率范围或全频段搜索扫描测量，这样慢的扫速是无法令人接受的。但是加了CISPR档的频谱仪大多具有微处理器以及自动测试功能，所以只要在测量方法上稍加改进便可解决准峰值充、放电时间常数带来的测量矛盾。此方法是先用峰值档快速全频段扫描，找出干扰*大的几个频率点，而后用准峰值在这几个频点附近慢慢地扫描，以判定是否合格。这些操作一般均可用自动测试软件完成，也可以手动完成。
此外，增加了CISPR档的频谱仪多半属于台式仪器，体积和重量都较大，仅适合于试验室或固定台站使用，不适于野外移动作业。HP公司虽然推出一些便携式频谱仪，但不具备准峰值测量功能，对工业干扰场强的监测也不适宜。倒是日本武田理研公司在八十年代初推出一种中档、便携式频谱仪，TR-4132（50Ω系统）/TR-4132N（75Ω系统），非常适合野外移或作业，其CISPR档为标准配置，即可以进行一般的信号场强的测量。这种仪器*小分辨率带宽不很高，仅为300HZ， 对一般无线电监测业务和工业干扰测量基本够用。它的优点是，可以在交流、直流和汽车供电的情况下工作，显示直接按dBμV刻度。如果选择配套的天线进行测量，则天线校正系数自动加入*终结果；还可以选购波形存储器，将被测信号频谱记录下来，供测试人员分析、拍照，或者通过XY记录仪打印出来；也可以选加GP-IB附件和微机组成的自动、测量系统。该仪器仅主机系统报价就150万日元，再加上附件、天线等报价也约150万日元，如果改用国产天线，则可以大大节省经费开支。
|