【導讀】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置及其最終測試結果的一些疑惑，帶著這些問題，筆者設計了一個通用的開關電路對頻譜分析儀的幅度精度進行了校準測量。
前言
有著“射頻萬用表”之稱的頻譜分析儀是一種應用非常廣泛的射頻和微波基礎測量儀器。經常被用于測量放大器/發(fā)射機的諧波和雜散測量、無源互調測量，而在空中電磁環(huán)境測量中，頻譜分析儀更是擔當了重要的角色。
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頻率范圍內幅度精度的描述：
令人感覺似是而非的問題
從最終計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測量的標準，如果用頻譜分析儀去測量一臺發(fā)射機的功率，不計耦合誤差，僅僅頻譜分析儀的誤差就會高達+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置條件下，上述的誤差會變化多少？
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，隨著頻譜分析儀設置的不同，最終的測試結果似乎也有些變化。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（如0dBm）要設置衰減器，如20dB；
測量微弱信號時，比如-130dBm，則需要開啟預放；
測量微弱信號時，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，其自身的非線性可能會導致測試誤差；不同幅度的測試信號下，誤差值也在變化；
測試環(huán)境溫度會有變化，尤其在野外應用時。
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)內人士，遺憾的事，并沒有得到明確的答案。
通過實驗來尋找答案
帶著諸多疑問，筆者設計了一個測試系統(tǒng)（圖1），希望能通過試驗數(shù)據(jù)來尋找答案。
圖1. 頻譜分析儀校準系統(tǒng)
在圖1中，微波信號發(fā)生器所產生的信號經過一個可編程的帶通濾波器到達一個SPDT微波開關的輸入端（RF1），開關的二個輸出端J1和J2分別接需要被校準的頻譜分析儀和標準功率計。在校準測試過程中，功率計讀一次來自信號源的幅度后，開關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，每個參數(shù)的變化均以功率計為參照值，頻譜分析儀與功率計讀數(shù)的差值即為頻譜分析儀的精度偏差。
針對圖1的校準電路，有以下幾點說明。
一、為什么要用功率計作為計量標準？
在圖1所示的校準測試系統(tǒng)中，是以終端式功率計作為參照標準的。我們知道，在微波和射頻的幅度計量儀器中，功率計是被認為具有最高精度的，現(xiàn)代功率計的精度可以達到1.95%的總誤差，可換算成±0.016dB的誤差，這個誤差要比標稱最高精度的頻譜分析儀好一個數(shù)量級，完全可以作為頻譜分析儀的校準參考。
二、為什么要采用可編程濾波器？
微波信號源具有諧波輸出，某些用于自動化測試的模塊化信號源的二次諧波可能高達-15dBc，這個諧波信號與載頻信號會同時進入功率計，而功率計并不能識別是有用信號還是諧波信號，因此這二個信號會被同時功率計讀出來并認為是參照標準。-15dBc的諧波可能會額外產生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跟蹤微波信號源的頻率，這樣大大提高了測試效率。因為頻譜分析儀的校準可能會產生海量的測試數(shù)據(jù)，自動化測試手段是必需的。
三、用開關還是功分器 ？
在圖1中，采用了一個SPDT微波開關來比較被校準的頻譜分析儀和標準功率計的讀數(shù)。在這個位置，有人提出采用二路功率分配器，筆者認為采用功分器時，有二個細節(jié)不能忽略：
- 功分器的輸出通路是二個不同的物理通路，必然存在幅度不平衡度，一個DC-18GHz的功分器的幅度不平衡點可能達到0.2-0.5dB；這個誤差是難以接受的；而開關的二個輸出端是同一個物理通道，其可重復性小于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的原理圖來進行討論這個問題。
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這二個端口之間只有6dB的隔離度。問題就可能出在這里，校準測試過程中，頻譜分析儀接在J1端，功率計接在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過功分器后在J1會有-10dBc被反射回來，這部分信號會有-16dBc被反射到J2端，這樣會額外產生2.5%的誤差。
鑒于上述理由，筆者認為長壽命的開關更加適合于這種校準測試。但通常認為微波開關存在壽命問題，正常的微波開關的壽命是1百萬次，而在圖1的校準系統(tǒng)中，采用了指標為1千萬次的微波開關，這種開關的實測壽命超過3億次，足夠應付海量數(shù)據(jù)的測試要求。
讓實驗數(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
這項測試在1GHz時進行，二臺頻譜分析儀的設置均為FC=1GHz，RBW=30kHz，VBW=30kHz，Attn=20dB；輸入到功率計的功率從-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時測試-39dBm到+3dBm的信號幅度誤差約為+0.1dB/-0.5dB；當Span=10MHz時，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Span=10MHz時的幅度誤差為+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，但測試功率變化時則產生了較大的誤差。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
在這項測試中，信號源的頻率始終保持在1GHz，二臺頻譜分析儀的設置均為FC=1GHz，Span=1MHz，Attn=20dB；輸入到功率計的功率從-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
這項測試中在1GHz時進行，二臺頻譜分析儀的設置均為FC=1GHz，Span=1MHz，RBW=30kHz，VBW=30kHz，Attn=20dB；輸入到功率計的功率從-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，而對于調制信號，還需要類似的測試來進一步驗證。
不同頻率時頻譜分析儀的幅度精度
在這項測試中，二臺頻譜分析儀的設置均為Span=1MHz，RBW=30kHz，VBW=30kHz，Attn=20dB；輸入到功率計的功率從-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，測試結果如圖6所示。
圖6 不同頻率時頻譜分析儀的幅度精度
從測試結果我們發(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指標。
不同輸入衰減時頻譜分析儀的幅度精度
在這項測試中，二臺頻譜分析儀的設置均為Fc=1GHz，Span=1MHz，RBW=30kHz，VBW=30kHz；輸入到功率計的功率從-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
這個測試結果顯然說明了頻譜分析儀的輸入衰減器的精度。
上述測試結果僅僅說明了頻譜分析儀在不同的設置條件下的幅度測試精度是有變化的，而且這個變化不容忽略。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？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一步的試驗來驗證，因為頻譜儀的測試條件畢竟是太多了，單從幾項粗略的試驗無法得出對測試者具有實用性價值的建議。
