頻譜分析儀測量場強方法

中心議題：

頻譜儀的電平刻度的轉(zhuǎn)換和阻抗匹配問題

頻譜分析儀防過載

選擇合適的中頻帶寬測試

解決方案：

采用中頻替代法

輸入衰減器不宜放在0dB的位置

頻譜分析儀是一種應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用的儀器。但必竟二者設(shè)計上有差異，因此使用側(cè)重面應(yīng)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(guān)電波傳播問題討論中，習(xí)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(biāo)準(zhǔn)天線端感應(yīng)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(jìn)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(dāng)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(jìn)行線性變頻，中頻放大器進(jìn)行線性放大，使示波屏上出現(xiàn)的假響應(yīng)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(kuò)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(yīng)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(dāng)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(yīng)和假響應(yīng)。只有當(dāng)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(yīng)。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(yīng)電平減至最小，應(yīng)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(dāng)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(yīng)，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(yù)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(yù)選器。

有些頻譜分析儀沒有配套的預(yù)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(xì)進(jìn)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(jìn)一步的精確測量打下了良好基礎(chǔ)。

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(yīng)注意掃描時間，太快會使濾波器來不及響應(yīng)，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)。有些頻譜儀有自動調(diào)節(jié)功能，特別是現(xiàn)代較先進(jìn)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(yīng)。若是手動調(diào)節(jié)的，應(yīng)注意一旦中頻帶寬改變，掃描時間也要相應(yīng)地變化，以保證準(zhǔn)確測量。