使用頻譜分析儀測量場(chǎng)強的方法

一、電平刻度的轉換和阻抗匹配問(wèn)題

通常，頻譜儀的顯示刻度單位是dBm，而在場(chǎng)強測量和有關(guān)電波傳播問(wèn)題討論中，習慣采用dBμv/m為單位，因此首先就有一個(gè)單位轉換問(wèn)題。實(shí)際上場(chǎng)強測量就是標準天線(xiàn)端感應電壓的測量，因此只要將頻譜儀的讀數換算成電壓?jiǎn)挝?，加上天線(xiàn)的天線(xiàn)系數即可求得待測場(chǎng)強。

頻譜儀的單位換算系數隨其輸入阻抗的不同而不同，對于50Ω系統，

VdBuV=PdBm+107dB

而對于75Ω系統，則

VdBuV=PdBm+108.8dB

現代頻譜儀多采用微機處理，顯示刻度可以自動(dòng)轉換。在實(shí)際測量中要特別注意天線(xiàn)阻抗與測試系統的匹配問(wèn)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(xiàn)要求也都是寬帶天線(xiàn)，而寬帶天線(xiàn)的VSWR一般都較大，如果與頻譜儀聯(lián)接的不是匹配天線(xiàn)，則要對所用天線(xiàn)的天線(xiàn)系數重新校對。

在實(shí)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(guò)載

一般測試接收機的輸入端都有帶有調諧式高放電路，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快速掃描的特性，輸入端一般都直接接到第一混頻器上。當信號電平較高時(shí)，混頻器工作在非線(xiàn)性變頻狀態(tài)，將產(chǎn)生高階互調和混頻增益壓縮，而且過(guò)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(xiàn)性工作狀態(tài)。

為使混頻器進(jìn)行線(xiàn)性變頻，中頻放大器進(jìn)行線(xiàn)性放大，使示波屏上出現的假響應電平縮至最小，這就要求加在混頻器上的輸入信號功率越小越好；而為了擴大測量電平的動(dòng)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(gè)規定：

（1）最佳輸入信號電平

在頻譜儀輸入混頻器上輸入信號時(shí)，使所產(chǎn)生的失真電平小于某個(gè)規定電平時(shí)的輸入信號電平叫最佳輸入電平。它隨混頻器的構造不同而有所不同，通常頻譜儀的最佳輸入電平是-30dBm。用這樣的電平輸入時(shí)，規定頻譜儀產(chǎn)生的失真電平和假響應電平小于-90dBm，即在-30dBm到-90dBm間出現的信號是真正的信號，這時(shí)，顯示器的動(dòng)態(tài)范圍有60dB。

（2）線(xiàn)性輸入信號電平

使輸入混頻器的特性保持線(xiàn)性的最大輸入信號電平叫線(xiàn)性輸入電平。所謂“線(xiàn)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。當加到混頻器的信號電平在線(xiàn)性輸入電平范圍內時(shí)，則增益壓壓縮小于1dB，這并不意味著(zhù)在頻譜儀顯示器上不同生失真響應和假響應。只有當輸入到混頻器的信號功率等于最佳輸入電平時(shí)，在示波屏上才不出現假響應。通常，頻譜儀的線(xiàn)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(shí)際測量中，為使測量不失真，或使假響應電平減至最小，應經(jīng)常使用最佳輸入電平。就輸入端是單個(gè)大信號而言。采用最佳輸入電平，將會(huì )得到較滿(mǎn)意的測量結果。但當輸入端存在多個(gè)高電平信號時(shí)，即使這些信號可能在頻譜儀的工作頻帶外，終因輸入端沒(méi)有選擇性，這些信號功率的迭加很容易使混頻器過(guò)載產(chǎn)生高階交互調失真，從而產(chǎn)生假響應，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(gè)跟蹤濾波器，即預選器，如美國HP公司和西德R/S公司都有為其頻譜儀配套的預選器。

有些頻譜分析儀沒(méi)有配套的預選器，但可根據測量頻段加固定的帶通濾波器。此時(shí)，用頻譜分析儀和跟蹤信號發(fā)生器對通帶內波動(dòng)、插入損耗仔細進(jìn)行測量并一一記錄下來(lái)，在測量場(chǎng)強時(shí)計入到天線(xiàn)校正系數去。如果連帶通濾波器也沒(méi)有，那么可按照所測頻段配置合適的高通濾波器。實(shí)踐證明，強電臺及電磁干擾大多集中在中、短波及調頻波段、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、交調失真。

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。

三、選擇合適的中頻帶寬

頻譜儀的中頻帶寬（又稱(chēng)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掃描特性，它的濾波器是高斯型的矩形系數較大，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較小，一般60dB:6dB帶寬為2:1（一般測試接收機為雙調諧回路，且B3=0.8B6）。頻譜儀的噪聲系數較大，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，就可以根據實(shí)測情況及所測信號的特點(diǎn)，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的中頻帶寬才能區分兩信號。在選擇中頻帶寬時(shí)，還應注意掃描時(shí)間，太快會(huì )使濾波器來(lái)不及響應，導致測量不準。有些頻譜儀有自動(dòng)調節功能，特別是現代較先進(jìn)的它可將掃描時(shí)間自動(dòng)調節到與掃描頻寬、中頻帶寬相適應。若是手動(dòng)調節的，應注意一旦中頻帶寬改變，掃描時(shí)間也要相應地變化，以保證準確測量。

如果要測量較弱信號，就要減小中頻帶寬，使頻譜儀的噪聲電平低于被測信號。頻譜儀一般給出最小中頻帶寬以下的平均噪聲電平，中檔頻譜儀的典型值為-115dBm。為保證測量結果有效，應使信噪比優(yōu)于6dB，故它可測量的最小電平為-109dBm即-2dBμV。實(shí)際上可測的最小電平還受到頻譜儀雜散響應指標的影響，而且當被測信號小于1μV時(shí)，通過(guò)機殼、電源線(xiàn)等引入干擾會(huì )使測量結果不可靠。

四、怎樣保證測量精度

測試接收機都裝有標準脈沖振蕩器，以便在測量狀態(tài)，如頻率、衰減器、中頻帶寬改變時(shí)隨時(shí)可進(jìn)行校準。其測量精度主要由標準振蕩器的準確度及輸入失配誤差來(lái)決定，一般為±2dB。

頻譜儀系采用固定頻率的標準信號進(jìn)行校準，當測量頻率不同時(shí)就會(huì )產(chǎn)生誤差。同時(shí)，射頻衰減器參考電平、中頻帶寬、顯示刻度等的改變都會(huì )產(chǎn)生誤差。對于現代頻譜儀這些誤差一般為：

粗看起來(lái)，這些誤差相加超過(guò)4.5dB，但實(shí)際上與測量方法有很大關(guān)系。測量時(shí)，如能保持與校準時(shí)的儀器設置狀態(tài)一樣，就可使誤差減至最小。一般是采用中頻替代法，即在不改變中頻帶寬及顯示刻度的情況下，通過(guò)改變參考電平。使校準信號電平與被測信號電平等于相應的參考電平時(shí)，則被測信號電平值等于校準信號電平值加上參考電平的改變量。值得注意的是，測量時(shí)保持信噪比大于12dB，這種測量的誤差僅取決于整個(gè)誤差的前四項可達到±2dB。

當然，也可用一臺校準信號發(fā)生器的相同頻率來(lái)替代被測信號進(jìn)行標定，那樣測出的精度會(huì )更高。

五、對各種工業(yè)干擾場(chǎng)強的測量

目前頻譜分析儀所顯示的是被測信號的瞬時(shí)峰值，而國家標準和國際上對工業(yè)干擾推薦使用準峰值測量，準峰值檢波器可以模擬人耳對各種工業(yè)脈沖干擾的主觀(guān)特性，具有規定的充放電時(shí)間常數。國家標準規定準峰值檢波器的充、放電時(shí)間常數是：在150KHz~30MHz，為1ms和160ms；在30-1000MHz則是1ms和550ms。峰值檢波器的時(shí)間常數沒(méi)有明確的規定，其充電時(shí)間常數又遠遠小于準峰值檢波器，一般充電時(shí)間常數在微秒級，而放電時(shí)間常數則在毫秒級，甚至秒級。嚴格講來(lái)，按照CISPR對準峰值測量的規定，頻譜分析儀不完全適合準峰值測量的規定，頻譜分析儀不完全適合準峰值測量，但為了擴展應用范圍，美國HP公司、西德R/S公司和日本武田理研公司等均在其生產(chǎn)的頻譜儀上增加了CISPR測量（準峰值測量）一檔，作為選件配置（定貨時(shí)要說(shuō)明）。使用時(shí)應注意，按照準峰值時(shí)間常數規定，頻譜儀的掃描速度要慢，一般應大于3~10s/MHz，或者手動(dòng)掃描。顯然如果要進(jìn)行寬頻率范圍或全頻段搜索掃描測量，這樣慢的掃速是無(wú)法令人接受的。但是加了CISPR檔的頻譜儀大多具有微處理器以及自動(dòng)測試功能，所以只要在測量方法上稍加改進(jìn)便可解決準峰值充、放電時(shí)間常數帶來(lái)的測量矛盾。此方法是先用峰值檔快速全頻段掃描，找出干擾最大的幾個(gè)頻率點(diǎn)，而后用準峰值在這幾個(gè)頻點(diǎn)附近慢慢地掃描，以判定是否合格。這些操作一般均可用自動(dòng)測試軟件完成，也可以手動(dòng)完成。

此外，增加了CISPR檔的頻譜儀多半屬于臺式儀器，體積和重量都較大，僅適合于試驗室或固定臺站使用，不適于野外移動(dòng)作業(yè)。HP公司雖然推出一些便攜式頻譜儀，但不具備準峰值測量功能，對工業(yè)干擾場(chǎng)強的監測也不適宜。倒是日本武田理研公司在八十年代初推出一種中檔、便攜式頻譜儀，TR-4132（50Ω系統）/TR-4132N（75Ω系統），非常適合野外移或作業(yè)，其CISPR檔為標準配置，即可以進(jìn)行一般的信號場(chǎng)強的測量。這種儀器最小分辨率帶寬不很高，僅為300HZ， 對一般無(wú)線(xiàn)電監測業(yè)務(wù)和工業(yè)干擾測量基本夠用。它的優(yōu)點(diǎn)是，可以在交流、直流和汽車(chē)供電的情況下工作，顯示直接按dBμV刻度。如果選擇配套的天線(xiàn)進(jìn)行測量，則天線(xiàn)校正系數自動(dòng)加入最終結果；還可以選購波形存儲器，將被測信號頻譜記錄下來(lái)，供測試人員分析、拍照，或者通過(guò)XY記錄儀打印出來(lái)；也可以選加GP-IB附件和微機組成的自動(dòng)、測量系統。該儀器僅主機系統報價(jià)就150萬(wàn)日元，再加上附件、天線(xiàn)等報價(jià)也約150萬(wàn)日元，如果改用國產(chǎn)天線(xiàn)，則可以大大節省經(jīng)費開(kāi)支。