频谱分析仪的计量和校准

烙馍菜盒

1.  功能描述

本测试方案目标是频谱分析仪的计量和校准。

2.  测试目标 – 频谱仪2.1.    频谱仪的结构

通过混频器和本地振荡器（LO）将输入信号转换到中频。调节本振频率，把整个输入频率范围转换到一个固定的中频。然后可用一个固定中心频率的中频滤波器来得到分析仪的分辨率。

被转换的信号在进入中频滤波器前被放大，该滤波器决定了分辨率带宽。这个中频滤波器有一个固定的中频，因此避免了可调滤波器的相关的难题。

现代频谱分析仪使用快速数字信号处理，输入信号通过A/D转换器在一个合适的点上采样，使用数字信号处理器进行进一步的处理。随着数字信号处理的快速发展，采样模块在信号路径中的位置进一步前移，现代频谱分析仪经常在末级低中频后进行数字化，检波和视频滤波以及信号处理和显示由DSP完成。

2.2.    频谱仪的常用检定项目

?  频率准确度

?  电平准确度

  o   功率准确度（参考频点）

  o   频响（全频段）

?  平均显示噪声电平

?  中频滤波器

  o   分辨率带宽

  o   带宽切换造成的幅度不确定度

?  垂直显示刻度

  o   电平显示非线性

?  内部衰减器

?  失真和杂散

  o   中频抑制

  o   中频镜像抑制

  o   剩余失真响应

?  非线性

  o   增益压缩 – 1dB压缩点

  o   二次谐波失真 – 二阶互调截点

  o   三阶交调失真 – 三阶截点

?  电压驻波比

  o   RF端口驻波

?  相位噪声

3.       检定方法3.1.    频率准确度检定

频谱仪的频率测试准确度取决于其内部参考时钟稳定度和准确度。

可以使用频率计或测量接收机直接测试频谱仪的参考频率输出端的频率。考虑到频谱仪的射频和数字处理，需要在整个频率范围内，检定频谱仪对输入信号测量的频率准确度，需要采用连接高稳时钟的信号发生器作为标准频率源，进行频谱仪的频率检定。

3.2.    电平和频响检定

电平测量准确度和频响是反映频谱仪的功率幅度测量的不确定度的重要指标参数。

本项检定包含两项内容：

?  频谱仪参考频率点（由被检频谱仪的指标手册确定，如64MHz）的绝对功率准确度检定；

?  频谱仪频率响应检定，覆盖频谱仪整个频率范围，相对于上述参考频点的频响。

所需主要检定设备包含：信号发生器、功率探头和功分器。其中信号发生器提供合适的测试信号，功分器要经过校准，有对应的修正数据。

为避免驻波对测试结果的影响，通常在功分器与被检频谱仪直接连接固定衰减器，衰减器和连接电缆的损耗和频响同样需要计入修正系数。

绝对功率准确度检定时，频谱仪选用较小SPAN（如30kHz）和RBW（如10kHz），参考电平设置与信号发生器相等；频响测试时，参考频率点电平测试与上述绝对功率检定时的频谱仪设置相同，其它频点测试时，频谱仪选用零SPAN（ZERO SPAN），RBW（如10kHz），参考电平设置与信号发生器相等。

功率计（功率探头）的读数修正后作为标准参考值，从而评估频谱仪的电平和频响。

3.3.    平均显示噪声电平检定

平均显示噪声电平表征频谱仪的测试灵敏度。

频谱仪的设置：

?  输入端连接一个50 Ω负载匹配器；

?  参考电平设置为较低电平，如-60dBm；

?  零SPAN或较小SPAN

?  较小的RBW（小于等于1/10的中心频率，不大于1kHz）

?  显示功率值归一化到1 Hz。(dBm/Hz)

3.4.    衰减器准确度检定

本项指标检定频谱仪内部衰减器的设定值准确度。

连接如下图，此时信号发生器产生一个恒定的较大功率的信号（如 10dBm），通过精密衰减器连接被检频谱仪的射频输入端。

测量设置：

?  频谱仪和信号发生器选定参考频点进行设置；

?  设置被检频谱仪的内置衰减器，并在全量程进行切换；

?  对应频谱仪内置衰减器的设置值，改变精密衰减器的数值，使两个衰减器设置值之和对应被检频谱仪内置衰减器的总量程；

?  以频谱仪内置衰减器为10dB时，频谱仪的功率读数作为基准电平参考值；

?  其它衰减设置值与上述电平参考值之差，经过精密衰减器的校准数据修正后，即为目标衰减器准确度。

3.5.    显示非线性检定

本项指标检定频谱仪的电平显示非线性。

设备连接与上图（衰减器检定）相同，此时信号发生器产生一个恒定的较大功率的信号（如 10dBm），通过精密衰减器连接被检频谱仪的射频输入端。

测量设置：

?  频谱仪和信号发生器选定参考频点进行设置；

?  设置被检频谱仪的内置衰减器固定值，如10dB, 频谱仪的功率读数作为基准电平参考值；

?  改变精密衰减器的数值，频谱仪的电平读数变化值与衰减器设置值之差即为显示非线性。

3.6.    中频带宽检定

RBW带宽切换时，带宽的设置值准确度以及带宽切换造成的电平准确度变化需要检定。

设备连接如下图。信号发生器产生连续波信号，频谱仪的SPAN设置为10倍RBW，参考电平比信号发生器设置电平低10dB。

改变RBW，读出带宽设置值与实际读数差值，以及电平读数变化值。

3.7.    SSB相位噪声检定

采用低相噪信号源（相噪优于被检频谱仪），测试相位噪声。

3.8.    失真和杂散检定3.8.1.   谐波检定

本项指标检定频谱仪的谐波失真。

设备连接如下图，此时信号发生器产生一个恒定的信号（如-5dBm），通过低通滤波器连接被检频谱仪的射频输入端，低通滤波器的作用是防止来自信号发生器的谐波进入频谱仪。

3.8.2.   三阶互调

本项指标检定频谱仪的互调失真。

设备连接如下图，两路信号通过合路器连接被检频谱仪的射频输入端，两路信号电平相等，具有一定频率差（如1MHz）。为改善信号发生器与合路器之间的驻波匹配特性，可以使用两个10dB衰减器分别连接在合路器输入端。

在频谱仪整个频段内，保持频率差，改变信号发生器频率进行测量。

4.       推荐仪器列表4.1.    频谱仪(43.5GHz)计量推荐配置

设备	产品描述	数量
信号发生器1?????????
SMF100A	Signal Generator Base Unit.	1
SMF-B2	Option: Frequency extension,100 kHz to 1GHz	1
SMF-B20	Option: AM/FM/PhiM/Log AM Modulator	1
SMF-B22	Option: Enhanced phase noise performance	1
SMF-B27	Option: Step Attenuator 100kHz to 43.5GHz	1
SMF-B34	Option: High-Output-Power	1
SMF-B144	Option: Frequency range 1GHz to 43.5GHz	1
信号发生器2
SMB100A	Signal generator base unit	1
SMB-B1	OCXO reference oscillator	1
SMB-B26	Low harmonic filter	1
SMB-B140	Frequency range : 100kHz to 40GHz	1
功率计
NRP-Z55	Thermal power sensor, DC to 44GHz, 300nW to 100mW,2.92mm(m)	1
NRP-Z4	USB adapter (passive) for NRP-Z sensors with a short cable (0.4 m)	1
精密可调步进衰减器
RSC	Step attenuator,0-139dB, 1dB steps, DC-6GHz	1
RSC-Z41	R&S?RSC control cable, for external attenuators	1
RSC-Z405	External step attenuator,0-75dB, 5dB, DC to 40 GHz	1
注： 1）信号发生器1（SMF）可以代替2（SMB），SMF的频率范围覆盖43.5GHz，大于SMB的40GHz；SMF的相位噪声性能更优； 2）也可以用信号发生器2（SMB）代替1（SMF），频率覆盖40GHz； 3）第二台信号发生器是为了互调测试。

4.2.    测试附件

   需要功分器（合路器），衰减器，50欧姆负载，同轴转接头，高稳晶振