北郵電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn) 頻譜分析儀的使用

1、電磁場(chǎng)與電磁波測(cè)量實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：5.3 微波實(shí)驗(yàn)單元項(xiàng)目學(xué)院：電子工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)班級(jí)：報(bào)告撰寫(xiě)人： 目錄5.3.1 頻譜分析儀的使用21 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備23實(shí)驗(yàn)原理34實(shí)驗(yàn)內(nèi)容35.實(shí)驗(yàn)心得75.3.2 衰減器的特性測(cè)量71.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2.實(shí)驗(yàn)儀器73.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理74. 實(shí)驗(yàn)總結(jié)95.3.3 定向耦合器特性測(cè)量101耦合度測(cè)量102.插入損耗測(cè)量103定向耦合器的隔離度測(cè)量114.幅頻特性測(cè)量125.實(shí)驗(yàn)總結(jié)：125.3.4濾波器的特性及其測(cè)量121. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟12實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析：143 實(shí)驗(yàn)總結(jié)145.3.1 頻譜分析儀的使用1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解頻譜

2、分析儀的工作原理，熟悉它的使用方法2. 了解微波信號(hào)發(fā)生器的使用方法2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. 頻譜分析儀2. 微波信號(hào)發(fā)生器3實(shí)驗(yàn)原理頻譜分析儀是研究電信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，主要的功能是在頻域里顯示輸入信號(hào)的頻譜特性。輸入信號(hào)經(jīng)衰減器直接外加到混波器，可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)與CRT同步的掃描產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時(shí)間作線(xiàn)性變化的振蕩頻率，經(jīng)混波器與輸入信號(hào)混波降頻后的中頻信號(hào)（IF）再放大，濾波與檢波傳送到CRT的垂直方向板，因此在CRT的縱軸顯示信號(hào)振幅與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。較低的RBW固然有助於不同頻率信號(hào)的分辨與量測(cè)，低的RBW將濾除較高頻率的信號(hào)成份，導(dǎo)致信號(hào)顯示時(shí)產(chǎn)生失真，失真值與設(shè)定的RBW密切相關(guān)，較高的

3、RBW固然有助於寬頻帶信號(hào)的偵測(cè)，將增加雜訊底層值（Noise Floor），降低量測(cè)靈敏度，對(duì)于偵測(cè)低強(qiáng)度的信號(hào)易產(chǎn)生阻礙，因此適當(dāng)?shù)腞BW寬度是正確使用頻譜分析儀重要的概念。4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單載波信號(hào)的頻譜測(cè)量(1) 實(shí)驗(yàn)操作步驟:1.按照下圖連接測(cè)試微波信號(hào)發(fā)生器頻譜分析儀2.設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器輸出指定頻率和功率的單載波信號(hào)（900MHz、10dBm）3.設(shè)置頻譜分析儀的中心頻率為微波信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，設(shè)置合適的掃描帶寬，適當(dāng)調(diào)整參考電平使頻譜圖顯示在合適的位置。4.用峰值搜索功能測(cè)量信號(hào)的頻率和電平，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表4.1中5.用差值光標(biāo)功能測(cè)量信號(hào)和噪聲的相對(duì)電平（信噪比），同時(shí)記錄頻

4、譜分析儀的分辨率和帶寬設(shè)置(2) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 表4.1頻率設(shè)置（MHz）850MHz900MHz950MHz電平設(shè)置（dBm）-10dBm-15dBm-20dBm實(shí)測(cè)頻率（MHz）848.498895.232950.055實(shí)測(cè)電平（dBm）-10.13-14.12-22.26信噪比（dB/RBW）-19.08-14.50-10.21帶載波信號(hào)的雜散測(cè)量(1) 實(shí)驗(yàn)操作步驟1.設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器輸出制定頻率和功率的正弦波（850MHz、-20dBm）2.設(shè)置頻譜分析儀的中心頻率為微波信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，設(shè)置合適的掃描帶寬，適當(dāng)調(diào)整參考電平使頻譜圖顯示在合適的位置。3.用頻譜分析儀測(cè)量輸出信號(hào)

5、的頻率和電平，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表4.2中4.增加頻譜分析儀的掃描帶寬，如100MHz,用手動(dòng)設(shè)置功能適當(dāng)減小頻譜分析儀的分辨率帶寬，觀(guān)察頻譜圖的變化，直到觀(guān)測(cè)到雜散信號(hào)為止。5在頻譜圖中確定最大雜散信號(hào)，用差值光標(biāo)功能測(cè)量信號(hào)和最大雜散信號(hào)的相對(duì)電平（雜散抑制度）(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表4.2信號(hào)頻率（MHz）信號(hào)電平（dBm）雜散抑制度（dB）850-10.1320.56900-15.9213.98950-22.266.11(3) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析雜散信號(hào)產(chǎn)生原因：過(guò)度激勵(lì)分析儀的輸入可能會(huì)導(dǎo)致雜散信號(hào)。相位噪聲測(cè)量(1) 實(shí)驗(yàn)操作步驟1. 設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器輸出指定頻率和功率的單載波信號(hào)（850MH

6、z、-10dBm）2. 設(shè)置頻譜分析儀的中心頻率為微波信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，設(shè)置掃描帶寬為50KHz，設(shè)置合適的分辨率帶寬和視頻帶寬，適當(dāng)調(diào)整參考電平使頻譜圖顯示在合適的位置2. 用峰值搜索功能測(cè)量信號(hào)的頻率和電平，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表4.3中3. 用差值光標(biāo)和噪聲光標(biāo)功能測(cè)量偏離信號(hào)10KHz的相位噪聲，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表4.3中4. 將掃描帶寬設(shè)置為500KHz，設(shè)置合適的分辨率帶寬和掃描帶寬，利用同樣的方法測(cè)量偏離信號(hào)100KHz的相位噪聲，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表4.3中5. 改變輸出頻率，重復(fù)以上測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表4.3中(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 表4.3 信號(hào)頻率（MHz）信號(hào)電平（dBm）相位噪

7、聲（dB/Hz）偏離10KHz偏離100KHz850-10.13-93.78-37.70900-15.92-39.02-38.72950-22.26-42.56-40.95幅頻特性的測(cè)量（1） 實(shí)驗(yàn)操作步驟1 設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器輸出指定頻率和功率大單載波信號(hào)（如850MHz20dBm）。2 設(shè)置頻譜分析儀的中心頻率為微波信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，設(shè)置合適的掃描帶寬（如100MHz），適當(dāng)調(diào)整參考電平，使頻譜圖顯示在合適的位置。3 設(shè)置頻譜分析儀的軌跡為最大值保持功能。4 按照一定的步進(jìn)（如0.1MHz），用手動(dòng)旋鈕（或自動(dòng)掃頻）在指定的頻率范圍內(nèi)（如830MHz870MHz）調(diào)整微波信號(hào)發(fā)生器的輸

8、出頻率，觀(guān)測(cè)頻譜分析儀顯示的幅頻特性曲線(xiàn)。5 用峰值搜索功能測(cè)量輸出信號(hào)在指定頻帶內(nèi)的最高電平，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表格中。6 用差值光標(biāo)功能測(cè)量輸出信號(hào)在指定頻帶內(nèi)的幅頻特性，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表格中。7 改變測(cè)試頻率范圍，重復(fù)以上測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)到表格中。幅頻特性的測(cè)量頻率范圍MHz最高點(diǎn)頻dBm幅頻特性（dB帶寬）850±2020.971.3/40=0.0325900±20-20.881.1/40=0.0275950±20-23.362.62/40=0.06555.實(shí)驗(yàn)心得本次實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)頻譜分析儀的使用，由于頻譜分析儀我們?cè)谥暗南嚓P(guān)課程的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)使用過(guò)，堆頻譜分析儀的使

9、用已經(jīng)較為熟練，因此本次實(shí)驗(yàn)做的較為輕松。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們不僅更加熟練掌握了頻譜分析儀的使用，還了解了關(guān)于頻譜分析儀的特性，使得優(yōu)化了我們的使用。為保證對(duì)信號(hào)進(jìn)行精確，測(cè)量前應(yīng)開(kāi)機(jī)預(yù)熱三十分鐘。頻譜儀最基本的作用就是發(fā)現(xiàn)和測(cè)量信號(hào)的幅度。頻譜儀可以以圖示化的方式顯示設(shè)定頻率范圍內(nèi)的射頻信號(hào)，信號(hào)越強(qiáng)，頻譜儀顯示的幅度也越大。5.3.2 衰減器的特性測(cè)量1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?#160;（1）熟練掌握頻譜分析儀的使用（2）了解衰減器對(duì)微波信號(hào)的衰減機(jī)理以及相關(guān)特性。2.實(shí)驗(yàn)儀器 微波信號(hào)發(fā)生器、衰減器（10db），頻譜分析儀3. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理以下實(shí)驗(yàn)按照?qǐng)D1連接測(cè)試。1. 衰減器的測(cè)量（1）

10、 設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器輸出指定頻率和功率的單載波信號(hào)（如850MHz、-10dBm和-20dBm）。（2） 將輸入輸出電纜短接。用頻譜分析儀測(cè)量衰減器的輸入信號(hào)電平，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表格1中。（3） 接入被測(cè)衰減器。用頻譜分析儀測(cè)量衰減器的輸出信號(hào)電平，計(jì)算衰減器的衰減量以及與標(biāo)稱(chēng)值得誤差，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表格1中。（4） 改變微波信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，重復(fù)以上測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表格1中標(biāo)稱(chēng)值（10dBm）測(cè)試頻率（MHz）輸入信號(hào)電平（dBm）輸出信號(hào)電平（dBm）衰減量（dBm）標(biāo)稱(chēng)誤差（dB）850-20.05 -30.58 10.530.53900 -21.11 -31.58 10.470

11、.47950-22.26 -32.50 9.240.24表1 衰減器的衰減量測(cè)量分析：因?yàn)槲覀儽敬螌?shí)驗(yàn)并沒(méi)有對(duì)應(yīng)的衰減器，因此使用的衰減器是PIN衰減器，上面標(biāo)明的衰減量為>=10dB,而實(shí)際上要求用的衰減器其衰減量為10dB，因此在計(jì)算標(biāo)稱(chēng)誤差的時(shí)候，是以標(biāo)準(zhǔn)衰減量10dB來(lái)計(jì)算的。相應(yīng)的數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程如下：850MHz:衰減量=-120.05-（-30.58）=10.53；標(biāo)稱(chēng)誤差=10.53-10=0.53；誤差率5.3%900MHz:衰減量=-21.11-(-31.58)=1047 ； 標(biāo)稱(chēng)誤差=10.47-10=0.47；誤差率4.7%950MHz:衰減量=-22.26-(-32

12、.50)=10.24 ； 標(biāo)稱(chēng)誤差=10.24-10=0.24。誤差率2.4%可見(jiàn)：誤差在允許的范圍內(nèi)可以被接受。2. 幅頻特性測(cè)量（1） 設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器輸出指定頻率和功率的單載波信號(hào)（如850MHz、-20dBm）。（2） 將輸入和輸出電纜短接。用頻譜分析儀測(cè)量并記錄衰減器的輸入信號(hào)電平。（3） 接入被測(cè)衰減器。設(shè)置頻譜分析儀的中心頻率為指定頻率（如850MHZ），設(shè)置合適的掃描帶寬（如100MHZ），適當(dāng)調(diào)整參考電平使頻譜圖顯示在合適的位置。（4） 設(shè)置頻譜分析儀的軌跡為最大保持功能（Trace->Trace type àMax hold）.（5） 按照一定的步進(jìn)（如0

13、.1MHZ），用手動(dòng)旋鈕在指定的頻率范圍內(nèi)（如830870MHZ），調(diào)整微波信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率,在頻譜分析儀上顯示幅頻特性曲線(xiàn)。（6） 根據(jù)頻譜分析儀顯示的幅頻特性曲線(xiàn)，測(cè)量并計(jì)算衰減器在指定頻帶內(nèi)的最小衰減和幅頻特性，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到表2中。頻率范圍（MHz）最小衰減量幅頻特性（dBpp/帶寬）830870-50.630.38/40=0.095880920-52.650.34/40=0.0085930970-54.400.31/40=0.0075 表2 衰減器的幅頻特性測(cè)量4. 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 在本次實(shí)驗(yàn)里，我們主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)了解衰減器的特性，實(shí)驗(yàn)多加了一個(gè)衰減器，主要還是通過(guò)頻譜分析

14、儀來(lái)看我們調(diào)出信號(hào)經(jīng)過(guò)衰減器的數(shù)據(jù)特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)頻譜儀的數(shù)值跳變幅度較大，速度也快，我們需要采取許多相應(yīng)的措施來(lái)穩(wěn)定頻譜分析儀，如減小周?chē)h(huán)境影響，更換噪聲較小的連接線(xiàn)等等。5.3.3 定向耦合器特性測(cè)量1耦合度測(cè)量 （1）按照下圖連接測(cè)試系統(tǒng)： （2）設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器輸出指定頻率和功率的單載波信號(hào)； （3）將輸入和輸出電纜短接，用頻譜分析儀測(cè)量定向耦合器輸入端口的輸入電平信號(hào)，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)； （4）接入被測(cè)定向耦合器，用頻譜分析儀測(cè)量定向耦合器耦合端口的輸出信號(hào)電平，計(jì)算定向耦合器的耦合度，記錄數(shù)據(jù)； （5）改變測(cè)試頻率，重復(fù)以上操作。測(cè)試頻率（MHz)850900950端口1輸入功率（dB

15、m）-20.05-21.11-22.26端口3輸入功率（dBm）-30.74-31.42-32.48耦合度(dB)10.6910.3110.22分析：設(shè)端口1輸入功率為P1,端口3輸入功率為P3 ，則耦合度L應(yīng)該為L(zhǎng)= P1/P3 ; 轉(zhuǎn)換為dB 值即為 L(dB)=10lgL = 10lg P1 - 10lg P3 。根據(jù)推導(dǎo)出來(lái)的公式和測(cè)量數(shù)據(jù)，可以計(jì)算相應(yīng)的耦合度為：850MHz: 30.74-20.05=10.69 ； 900MHz: 31.42-21.11=10.31 ；950MHz: 32.48-22.26=10.22 ；2.插入損耗測(cè)量 （1）按照如圖所示連接測(cè)試系統(tǒng)：（2）設(shè)置

16、微波信號(hào)發(fā)生器輸出指定頻率和功率的單載波信號(hào)；（3）將輸入和輸出電纜短接，用頻譜分析儀測(cè)量定向耦合器輸入端口的輸入信號(hào)電平，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)；（4）接入被測(cè)定向耦合器，用頻譜分析儀測(cè)量定向耦合器輸出端口的輸出信號(hào)電平，計(jì)算定向耦合器額插入損耗和傳輸損耗，記錄數(shù)據(jù)；（5）改變測(cè)試頻率，重復(fù)以上操作。耦合度（dB）/耦合損耗（dB）測(cè)試頻率（MHz）850900950端口1輸入功率（dBm）-20.05-21.11-22.26端口2輸入功率（dBm）-54.42-55.28-57.47插入損耗（dB）34.3734.1735.20傳輸損耗（dB）23.6820.9624.99分析：設(shè)端口1輸入功率為P

17、1,端口2輸入功率為P2 ，則插入損耗IL應(yīng)為： IL= -10lgP2/P1 = -10lg P2 + 10lg P1 。則相應(yīng)的插入損耗計(jì)算如下：850MHz：54.42-20.05=34.37 ; 900MHz：55.28-21.11=34.17 ；950MHz：57.46-22.26=35.20 ；傳輸損耗 TL 應(yīng)該為 ：TL = -10lgP3/P2= 10lg P2-10lg P3 。則相應(yīng)的傳輸損耗計(jì)算如下：850MHz：54.52-30.74=23.68 ; 900MHz：55.28-31.42=20.96 ；950MHz：57.47-32.48=24.99 ；3定向耦合器的

18、隔離度測(cè)量（1）按照下圖連接測(cè)試系統(tǒng)：（2）設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器輸出指定頻率和功率的單載波信號(hào)；（3）將輸入和輸出電纜短接，用頻譜分析儀測(cè)量并記錄定向耦合端口的輸入信號(hào)電平，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)；（4）接入被測(cè)定向耦合器，用頻譜分析儀測(cè)量定向耦合器輸出端口的輸出信號(hào)電平，計(jì)算端口隔離度，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)；（5）改變測(cè)試頻率，重復(fù)以上操作。測(cè)試頻率(MHz)850900950耦合端口3輸入功率（dBm）-20.05-21.11-22.26輸入端口2輸出功率(dBm)-37.43-38.40-37.612、3端口隔離度(dB)17.3817.2915.35分析：隔離度的計(jì)算公式如下：D=10lgP3/P2=10

19、lgP3-10lgP2;因此相應(yīng)頻率的隔離度的計(jì)算如下：850MHz:37.43-20.05=17.38 ； 900MHz：38.40-21.11=17.29 ；950MHz:37.61-22.26=15.35 ；4.幅頻特性測(cè)量（1）設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器輸出指定頻率和功率的單載波信號(hào)；（2）將輸入和輸出電纜短接，用頻譜分析儀測(cè)量并記錄衰減器的輸入信號(hào)電平；（3）接入被測(cè)定向耦合器，設(shè)置頻譜分析引的中心頻率為指定頻率，設(shè)置合適的掃描帶寬，適當(dāng)調(diào)整參考電平使頻譜圖顯示在合適的位置；（4）設(shè)置頻譜分析儀的軌跡為最大值保持功能；（5）按照一定的步進(jìn)，用手動(dòng)旋鈕在指定的頻率范圍內(nèi)調(diào)整微波信號(hào)發(fā)生器的輸出

20、頻率，在頻譜分析儀上顯示出幅頻特性曲線(xiàn)；（6）根據(jù)頻譜分析儀顯示的幅頻特性曲線(xiàn)，測(cè)量并計(jì)算衰減器在指定頻帶內(nèi)的耦合度的最小值和幅頻特性，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。頻率范圍（MHz）輸入功率（dBm）最高功率（dBm）耦合度最小值（dBm）幅頻特性（dBp-p/帶寬）850±20-20.05-33.73-53.780.69/40=0.01725900±20-21.11-32.80-53.910.57/40=0.01425950±20-22.26-33.07-55.330.34/40=0.00855.實(shí)驗(yàn)總結(jié)：這次實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目比較多，要測(cè)量的數(shù)據(jù)也比較多，但是都比較簡(jiǎn)單，關(guān)鍵的就是

21、要能夠熟練的運(yùn)用頻譜分析儀，因?yàn)榛旧纤械臏y(cè)量都要依靠頻譜分析儀來(lái)進(jìn)行測(cè)量。本次實(shí)驗(yàn)主要考驗(yàn)了我們對(duì)微波器件的理解，將理論向?qū)嵺`的轉(zhuǎn)換。同時(shí)本次實(shí)驗(yàn)鍛煉了我們對(duì)數(shù)據(jù)處理的能力，更加深入了解了衰減器的特性。5.3.4濾波器的特性及其測(cè)量1. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟傳輸特性的測(cè)量按照?qǐng)D1所示連接測(cè)試系統(tǒng)濾波器頻譜分析儀微波信號(hào)發(fā)生器圖1 濾波器的傳輸特性測(cè)量設(shè)置微波信號(hào)發(fā)生器輸出指定頻率和功率的單載波信號(hào)（如850MHz、-20dBm）.將輸入和輸出電纜短接。用頻譜分析儀測(cè)量衰減器的輸入信號(hào)電平。接入被測(cè)濾波器。設(shè)置頻譜分析儀的中心頻率為指定頻率（如880MHz），設(shè)置合適的掃描帶寬（如80MHz），適當(dāng)調(diào)整參考電平使頻譜圖顯示在合適的位