高頻譜儀的幅度測(cè)量精度方案

　　頻譜儀通常采用YIG調(diào)諧濾波器作為預(yù)選濾波器，YIG濾波器也會(huì)影響頻譜儀的頻響特性。該濾波器必須精確的調(diào)諧和對(duì)準(zhǔn)，以避免引入額外的頻響變化，由于本振的掃描速度有限，因此YIG濾波器還要加上一些延遲和補(bǔ)償，以保證其中心頻率和本振同步。頻譜儀的前端通常還加一個(gè)低通濾波器，在測(cè)量YIG預(yù)選器不能達(dá)到的低端頻率的信號(hào)時(shí)(通常2GHz以下)，該低通濾波器用于濾除高頻信號(hào)。盡管該濾波器也會(huì)影響整體的頻響特性，但是其影響比YIG濾波器小很多。

　　由于部分頻譜儀采用諧波混頻技術(shù)，儀器內(nèi)部實(shí)際上有很多個(gè)混頻頻段，每個(gè)頻段都有特定的頻響，因此在各個(gè)頻段之間切換的時(shí)候也會(huì)引入不確定度。例如PSA系列到26.5GHz的E4440A頻譜儀，內(nèi)部分五個(gè)混頻頻段，分別為：3 Hz 到3 GHz, 2.85到 6.6 GHz, 6.2到13.2 GHz, 12.8到19.2 GHz, 18.7到26.5 GHz。當(dāng)設(shè)置的頻率跨度(Span)超過兩個(gè)混頻頻段時(shí)，儀器會(huì)自動(dòng)切換內(nèi)部混頻頻段，從而引入幅度不確定度。當(dāng)測(cè)量?jī)蓚€(gè)處于不同混頻頻段的信號(hào)的相對(duì)值時(shí)，總的不確定度等于兩個(gè)頻段的頻響之和加上頻帶切換不確定度。如果指標(biāo)中沒有注明頻帶切換的不確定度，可以用以校準(zhǔn)源為參考的絕對(duì)頻響參數(shù)，來確定各個(gè)頻段的總測(cè)量不確定度(見表1)。

如何提高頻譜儀的幅度測(cè)量精度

　　頻譜儀中另一個(gè)不確定度的來源是量程的可信度。當(dāng)測(cè)量?jī)蓚€(gè)位于不同垂直位置(量程)的信號(hào)時(shí)，不同量程的可信度就會(huì)影響結(jié)果。檢波器和ADC的線性度、對(duì)數(shù)/線形放大器的線形度都會(huì)影響量程的可信度。對(duì)于大部分對(duì)數(shù)放大器而言，其線形度隨著輸入點(diǎn)評(píng)的降低而惡化。

　　對(duì)于幅度接近的兩個(gè)信號(hào)，量程的不確定約為零點(diǎn)幾dB，對(duì)于幅度相差很大的信號(hào)，這個(gè)不確定度可達(dá)2dB。典型的量程可信度指標(biāo)為：±0.4 dB/4 dB其累積最大值±1.0 dB。其中±0.4 dB/4 dB這個(gè)指標(biāo)對(duì)于幅度相近的信號(hào)適用，而累積指標(biāo)對(duì)于幅度相差較大的信號(hào)適用。

　　當(dāng)頻譜儀要測(cè)量不同電平的信號(hào)時(shí)，其靈活度可以通過調(diào)節(jié)參考電平來實(shí)現(xiàn)，但是調(diào)節(jié)參考電平也會(huì)引入不確定度。參考電通和輸入衰減器和中頻增益有關(guān)，其范圍可以從顯示平均底噪(DANL)調(diào)節(jié)到其能承受的最大輸入電平。調(diào)節(jié)參考電平實(shí)際上就是調(diào)節(jié)中頻放大器的增益，中頻放大器本身(和所有的放大器一樣)其增益都會(huì)隨著幅度和頻率變化。因此測(cè)試過程中，任何參考電平的調(diào)節(jié)都會(huì)引入不確定度。

　　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。