- 頻譜儀的幅度測(cè)量精度提高方法

　　參考電平通常通過儀器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)參考源(當(dāng)然也可以用外部源)進(jìn)行校準(zhǔn)。和很多功率計(jì)內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)源類似，PSA系列頻譜儀內(nèi)置一個(gè)頻率為 50MHz，功率為-25dBm的標(biāo)準(zhǔn)源，其幅度精度為±0.24 dB(而ESA-E系列通用頻譜儀的內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)源的幅度和頻率和PSA一樣，但是精度為±0.34 dB)。因此當(dāng)設(shè)置參考電平為-25dBm、衰減器為10dB的時(shí)候，頻譜儀的測(cè)量精度最高，因?yàn)轭l譜儀參考電平相關(guān)參數(shù)就是在這個(gè)狀態(tài)下進(jìn)行校準(zhǔn)的。

　　參考電平不確定度這個(gè)指標(biāo)通常這樣給出：如±0.3 dB 在-20 dBm，隨著參考電平偏離-20dBm，這個(gè)指標(biāo)會(huì)有一定增大。需要注意的是不同儀器的指標(biāo)里對(duì)“參考電平不確定度”可能會(huì)用不同的名詞。例如，安捷倫科技的8560系列便攜式頻譜儀指標(biāo)中用“中頻增益不確定度”這個(gè)詞，而PSA系列則用“參考電平精度”這個(gè)詞。

?

　　由于射頻微波衰減器的衰減值會(huì)隨頻率變化(有時(shí)甚至隨溫度變化)，因此步進(jìn)衰減器的精度也是頻率的函數(shù)。另外，參考電平校準(zhǔn)時(shí)的衰減器設(shè)置如果和實(shí)際測(cè)量的設(shè)置不一樣，也會(huì)引入不確定度。大多數(shù)衰減器的精度都是隨著頻率的升高而惡化的，衰減器切換的典型不確定度為±1 dB。

　　由于模擬濾波器的頻響不是很理想，不同帶寬的濾波器之間的輸出幅度特性會(huì)有較大的差別。因此測(cè)量時(shí)轉(zhuǎn)換分辨率帶寬濾波器也會(huì)引入不確定度，特別是使用模擬濾波器時(shí)。而數(shù)字濾波器在這方面的表現(xiàn)就很好，但是數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)成本更高，因此在ESA系列中檔頻譜儀中，數(shù)字中頻濾波器只做到 300Hz，更高帶寬的濾波器模擬的。

　　而高端的PSA系列的中頻處理部分則采用全數(shù)字設(shè)計(jì)，還包含F(xiàn)FT分析和數(shù)字是掃頻接收機(jī)。該設(shè)計(jì)不但提高了幅度測(cè)量精度，而且還提高了掃描速度。

　　改變屏幕顯示每一格的尺度也會(huì)影響測(cè)量精度。例如把每格10dB的尺度改為每格1dB，這時(shí)頻譜儀的對(duì)數(shù)/線形放大器的特性會(huì)有變化，這也會(huì)引入不確定度。當(dāng)然在測(cè)量中保持刻度不變，可以避免這種誤差。典型的線形-對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換不確定度在參考電平位置為±0.25 dB，但是如果頻譜儀此時(shí)顯示的是已經(jīng)保存的軌跡，這個(gè)不確定度對(duì)測(cè)量就沒有影響。

　　總的相對(duì)幅度測(cè)量不確定度受上述所有因素的疊加影響。有一些誤差來源于改變?cè)O(shè)置，如果衰減器、分辨率帶寬、參考電平等設(shè)置不變，相關(guān)的所有不確定度就可以排除，總的不確定度就可以減至最小。例如PSA系列頻譜儀由于采用全數(shù)字分辨率帶寬濾波器，因此在切換分辨率帶寬時(shí)，不會(huì)引入額外的誤差，其精度遠(yuǎn)比采用模擬濾波器的頻譜儀高。

　　為了提高相對(duì)幅度測(cè)量的精度，最簡(jiǎn)單的方法是在測(cè)量的過程中不要改變?cè)O(shè)置：不要改變分辨率濾波器設(shè)置，但是像PSA這樣采用全數(shù)字濾波器的，可以改變分辨率帶寬濾波器;參考電平校準(zhǔn)和實(shí)際測(cè)量時(shí)，保證采用同樣的衰減器設(shè)置;測(cè)試過程中不要改變每一格的尺度。

　　連接頻譜儀和被測(cè)件之間的信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)會(huì)影響被測(cè)信號(hào)的特性，因此這些網(wǎng)絡(luò)的特性也必須被補(bǔ)償?shù)?。通常采用頻譜儀內(nèi)置的幅度修正功能，加上測(cè)試信號(hào)源和功率計(jì)，可以測(cè)出該網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性，把測(cè)量的結(jié)果做成一個(gè)表格存在頻譜儀內(nèi)部，測(cè)量時(shí)用表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正即可。對(duì)于某些測(cè)試中必須用的天線、電纜等附件，也可以用上述的辦法進(jìn)行補(bǔ)償。并且儀器可以存儲(chǔ)很多組數(shù)據(jù)，以應(yīng)對(duì)不同的設(shè)置。

?

　　下面是一個(gè)典型的計(jì)算不確定度的例子，本例中被測(cè)信號(hào)的頻率為1GHz，幅度為-20dBm。為了對(duì)比不同儀器的測(cè)試精度，選用了高端的PSA系列 4440A和中端的ESA-E系列E4402A頻譜儀。各項(xiàng)設(shè)置均相同：衰減器為10dB，頻率跨度為20KHz，參考電平為-10dBm，掃描時(shí)間設(shè)為自動(dòng)，分辨率帶寬為10KHz，視頻帶寬為1KHz。環(huán)境溫度為室溫(+20 到 +30°C)，E4440A PSA(數(shù)字中頻濾波器)的標(biāo)稱絕對(duì)幅度不確定度為±0.24 dB，而ESA(模擬中頻濾波器)的指標(biāo)為±0.54 dB。上述的兩個(gè)數(shù)字分別加上兩款頻譜儀的絕對(duì)頻率響應(yīng)，其和就是最壞情況下的不確定度。對(duì)于更高頻率信號(hào)，特別是諧波測(cè)試時(shí)，由于儀器要切換內(nèi)部混頻頻段，其不確定度會(huì)更大。

　　采用數(shù)字中頻濾波器可以有效地提高頻譜儀的測(cè)量精度。測(cè)量過程中，合理的儀器設(shè)置也可以保證測(cè)試的結(jié)果能滿足儀器給出的最佳精度。