【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(jì)了一個(gè)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(jì)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(jì)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(jì)耦合誤差，僅僅頻譜分析儀的誤差就會(huì)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(huì)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(shí)（如0dBm）要設(shè)置衰減器，如20dB；
測量微弱信號時(shí)，比如-130dBm，則需要開啟預(yù)放；
測量微弱信號時(shí)，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(shí)，其自身的非線性可能會(huì)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(huì)有變化，尤其在野外應(yīng)用時(shí)。
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(shí)驗(yàn)來尋找答案
帶著諸多疑問，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)測試系統(tǒng)（圖1），希望能通過試驗(yàn)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(gè)可編程的帶通濾波器到達(dá)一個(gè)SPDT微波開關(guān)的輸入端（RF1），開關(guān)的二個(gè)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(jì)。在校準(zhǔn)測試過程中，功率計(jì)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(gè)參數(shù)的變化均以功率計(jì)為參照值，頻譜分析儀與功率計(jì)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(diǎn)說明。
一、為什么要用功率計(jì)作為計(jì)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(jì)作為參照標(biāo)準(zhǔn)的。我們知道，在微波和射頻的幅度計(jì)量儀器中，功率計(jì)是被認(rèn)為具有最高精度的，現(xiàn)代功率計(jì)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(gè)誤差要比標(biāo)稱最高精度的頻譜分析儀好一個(gè)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(dòng)化測試的模塊化信號源的二次諧波可能高達(dá)-15dBc，這個(gè)諧波信號與載頻信號會(huì)同時(shí)進(jìn)入功率計(jì)，而功率計(jì)并不能識別是有用信號還是諧波信號，因此這二個(gè)信號會(huì)被同時(shí)功率計(jì)讀出來并認(rèn)為是參照標(biāo)準(zhǔn)。-15dBc的諧波可能會(huì)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(dòng)跟蹤微波信號源的頻率，這樣大大提高了測試效率。因?yàn)轭l譜分析儀的校準(zhǔn)可能會(huì)產(chǎn)生海量的測試數(shù)據(jù)，自動(dòng)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(gè)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(jì)的讀數(shù)。在這個(gè)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(shí)，有二個(gè)細(xì)節(jié)不能忽略：
- 功分器的輸出通路是二個(gè)不同的物理通路，必然存在幅度不平衡度，一個(gè)DC-18GHz的功分器的幅度不平衡點(diǎn)可能達(dá)到0.2-0.5dB；這個(gè)誤差是難以接受的；而開關(guān)的二個(gè)輸出端是同一個(gè)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(gè)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(gè)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(jì)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(huì)有-10dBc被反射回來，這部分信號會(huì)有-16dBc被反射到J2端，這樣會(huì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)測試在1GHz時(shí)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(jì)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(shí)測試-39dBm到+3dBm的信號幅度誤差約為+0.1dB/-0.5dB；當(dāng)Span=10MHz時(shí)，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(shí)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(shí)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(xiàng)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(jì)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(gè)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(shí)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(xiàng)測試中在1GHz時(shí)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(jì)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(yàn)證。
不同頻率時(shí)頻譜分析儀的幅度精度
在這項(xiàng)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(jì)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(shí)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(shí)頻譜分析儀的幅度精度
在這項(xiàng)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(jì)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(gè)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(gè)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(yàn)來驗(yàn)證，因?yàn)轭l譜儀的測試條件畢竟是太多了，單從幾項(xiàng)粗略的試驗(yàn)無法得出對測試者具有實(shí)用性價(jià)值的建議。
