頻譜分析儀在產(chǎn)品檢測中的應(yīng)用探討

【摘 ? ?要】闡述了頻譜分析儀的產(chǎn)品分類，并對其工作原理進行了簡要分析，針對頻譜分析儀在產(chǎn)品質(zhì)量檢測中的應(yīng)用，以經(jīng)常檢測的產(chǎn)品參數(shù)為主線，分別對各種檢測方法進行了總結(jié)并分享了一個具體的檢測案例。

【關(guān)鍵詞】頻譜分析儀 ? ?射頻測量 ? ?雜散 ? ?失真 ? ?調(diào)制

中圖分類號：TH7 ? ?文獻標識碼：B ? ?文章編號：1006-1010（2014）-15-0063-06

1 ? 引言

頻譜分析儀主要用于顯示輸入信號的頻譜特性，因此對信號分析而言它是不可缺少的量測儀器。頻譜分析儀透過頻域?qū)π盘栠M行分析、研究，它還能夠應(yīng)用于更多不同的領(lǐng)域，如無線訊號收發(fā)、信號干擾檢測、頻譜監(jiān)測、元件特性分析等，頻譜分析儀是電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗工作中的常用工具，對于無線通訊信號的測量來說更是必不可少的工具，其應(yīng)用范圍十分廣泛，因此也有工程師將它稱為射頻量測的萬用電表。其主要功能包括：頻率設(shè)置、基準電平設(shè)置、跟蹤發(fā)生器設(shè)置、跟蹤控制設(shè)置、利用標記功能測量回波損耗和頻寬、掃描時間及觸發(fā)控制設(shè)置等。

針對時域方面的信號量測，示波器是一個非常重要且很有效率的量測儀器，它能直接顯示信號波幅、頻率、周期、波形與相位之間的響應(yīng)變化。一般來說，示波器必須具備雙軌跡輸出顯示裝置，同時內(nèi)建有IEEE-488、IEEE-1394或RS-232等界面功能以便與繪圖儀器連結(jié)，有利于后續(xù)量測顯示資訊輸出與繪圖的研究相比較。示波器的缺點是只局限于低頻信號，對于高頻信號的分析成為其需要面臨的一大挑戰(zhàn)。示波器主要用來顯示時域信號幅度的變化，而頻譜儀顯示的是頻域信號幅度的變化。頻譜分析儀彌補了示波器對高頻信號分析不足的缺點，它可以同時將多頻信號以頻域的方式來呈現(xiàn)，顯示了信號在頻域里的特性，方便辨識出不同頻率的功率裝置。

2 ? 頻譜分析儀的分類及工作原理

2.1 ?頻譜分析儀的分類

FFT（快速傅立葉變換）分析儀，是用數(shù)值計算的方法來處理一定時間周期的信號，可提供頻率、幅度和相位信息。它的特點是速度快、精度高，但其分析頻率帶寬受ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換）采樣速率限制，適用于窄帶寬信號分析、快速測量場合、并行濾波器組處理。

掃頻式頻譜分析儀，可分析穩(wěn)定的和周期變化的信號，可提供信號幅度和頻率信息，適用于寬頻帶快速掃描測試、濾波器掃描測試。掃頻式頻譜儀組成框圖和掃頻式頻譜儀測量過程分別如圖1和圖2所示。

（1）輸入衰減器作用：第一級處理，輸入Attenua-tor，保證頻譜儀在寬頻范圍內(nèi)保持良好的匹配特性;保護內(nèi)部混頻及中頻處理電路，防止損壞;防止產(chǎn)生過大非線性失真。

（2）內(nèi)部輸入衰減器與中頻放大器保持聯(lián)動關(guān)系，中頻放大器具有自動補償衰減的作用，輸入信號測量不會受衰減器設(shè)置影響。

（3）當ATT設(shè)置為Auto時，改變參考電平，ATT會隨之改變。

2.2 ?頻譜分析儀測試原理

頻譜分析儀的主要參數(shù)有：

◆頻率顯示范圍：中心頻率和頻率跨度，起始頻率和終止頻率;

◆電平顯示范圍：REF LEL和輸入ATT;

◆頻率分辨率：分辨帶寬RBW、VBW;

◆掃描時間：SWP;

◆檢波方式。

頻譜分析儀測試界面如圖3所示。

頻譜分析儀測試原理如下：

（1）頻譜分析儀依靠中頻濾波器分辨各頻率成分、檢波器測量信號功率，依靠本振和顯示橫坐標的對應(yīng)關(guān)系得到信號頻率值。

（2）當輸入信號為單頻點信號時，該信號需和掃描本振信號進行混頻，這樣中頻信號即為頻率變化的掃頻信號，該掃頻信號通過中頻濾波器和檢波器后輸出波形為中頻濾波器的頻響形狀。

（3）檢波器輸出的視頻信號通過放大、采樣、數(shù)字化決定顯示信號的垂直電平。

（4）掃描振蕩器使水平頻率軸和本地振蕩器調(diào)諧同步，它同時驅(qū)動水平偏轉(zhuǎn)和調(diào)諧LO。

3 ? 頻譜分析儀的應(yīng)用與意義

頻譜分析儀在射頻領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。頻譜分析儀的主要功能是量測信號的大小或振幅，系統(tǒng)維護、信號量測、組件的頻率增益與物料品管等都在頻譜分析儀的應(yīng)用范圍之中。頻譜儀最基本的作用就是發(fā)現(xiàn)和測量信號的幅度。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，信號越強頻譜儀顯示的幅度也越大。通過這種特性，頻譜儀被用來搜索一定頻段內(nèi)的射頻信號，廣泛應(yīng)用在監(jiān)測電磁環(huán)境、無線電頻譜監(jiān)測、電子產(chǎn)品電磁兼容測量、無線電發(fā)射機發(fā)射特性、信號源輸出信號品質(zhì)、反無線竊聽器等領(lǐng)域。

頻譜分析儀可以測量射頻信號的多種特征參數(shù)，如頻率、選頻功率、帶寬、鄰道功率、調(diào)制波形、場強等。在射頻信號頻率測量方面，雖然頻率計是專業(yè)的設(shè)備，但遇到時分多址信號（GSM移動電話、IDEN、TETRA）、跳頻信號、寬帶信號時，普通頻率計無法準確計數(shù)，功率計無法及時測量，而頻譜儀基于高速的信號捕捉，則可以測量這些信號。針對這些常見的不穩(wěn)定信號，很多中高檔頻譜儀還在測量軟件上做了優(yōu)化，提供專用的自動測量工具。

由于頻譜分析儀具有將射頻信號圖示化的能力，頻譜圖可以幫助了解信號的特性和類型，有助于最終確定信號的調(diào)制方式和發(fā)射機類型。

在軍事領(lǐng)域，頻譜分析儀在電子對抗和頻譜監(jiān)測中被廣泛應(yīng)用，不同類型的雷達信號、通信電臺信號、應(yīng)答機信號、“敵我”識別器信號都有不同特征的頻譜圖。

在民用無線電管理領(lǐng)域，通過頻譜圖，可以及時發(fā)現(xiàn)非法使用的頻率，這比傳統(tǒng)掃描監(jiān)聽的效率要高得多。endprint

在不明干擾源的定位中，頻譜圖有助于判斷干擾信號的類型，并推斷產(chǎn)生干擾信號的可能設(shè)備，以縮小排查范圍。

頻譜分析儀還是一部很好的場強儀，而且動態(tài)范圍比較大。一些具有自動測量功能的頻譜分析儀可以方便地讀出目標信號的場強數(shù)值，同時可以顯示目標頻率周邊的情況。實際應(yīng)用中，有很多手持頻譜分析儀就替代了場強儀。

頻譜分析儀與跟蹤信號源配合使用，可以顯示雙端口網(wǎng)絡(luò)的頻幅特性，擴展了頻譜分析儀的用途。該功能類似于掃頻儀和標量網(wǎng)絡(luò)分析儀的主要功能，比普通老式掃頻儀的精度要高得多，可應(yīng)用于濾波器的調(diào)校。如果頻譜儀與跟蹤源結(jié)合，同時配合駐波電橋使用，還能直接圖示化天線的匹配情況，具有天線分析儀的部分功能。

4 ? 頻譜分析儀的使用技巧

4.1 ?儀器操作注意事項

儀器設(shè)備是公司進行生產(chǎn)經(jīng)營的主要工具，它的精度直接影響著公司的產(chǎn)品質(zhì)量。公司的儀器設(shè)備大多貴重且使用頻率較高，若損壞一臺精密儀器，公司不僅要承擔昂貴的維修費用，而且還會影響公司生產(chǎn)的有序進行，其間接經(jīng)濟損失無法估計。

為了保證儀器設(shè)備的精度，防止儀器設(shè)備的人為損壞，在使用儀器設(shè)備時，要注意以下一些使用與維護注意事項：

（1）初次使用某儀器設(shè)備之前，必須由相關(guān)人員進行培訓(xùn)、指導(dǎo)，以了解其主要功能、操作規(guī)范及使用注意事項。

（2）靜電防護：電子儀器（尤其是微波儀器設(shè)備）對靜電非常敏感，應(yīng)采取嚴格的靜電防護措施，特別是對于儀器的輸入輸出端口。超過100V的靜電可能會損壞儀器靈敏度性能。儀器操作一般要求：防靜電工作臺、座椅、穿戴防靜電服、佩戴防靜電手腕帶。

（3）所有儀器必須接地良好

如果某一設(shè)備（儀器）未接地或地線接觸不良，會造成設(shè)備端口帶電，這對于功率探頭、信號源輸出口、頻譜儀輸入輸出端口及HPIB、GBIP端口是致命的，因為它可以在該端口與其它設(shè)備相連的瞬間放電，從而損壞內(nèi)部電路（輸入衰減器ATT、混頻器、放大器或輸入電路等），造成較大的經(jīng)濟損失。CRT顯示儀器后面都有專門的接地端，有的儀器則沒有。國外都是通過三芯電源插頭＼插座的接地端與地相連來保證儀器的接地。但實際使用的電源插座因質(zhì)量不合格或接觸不良，沒法保證接地，所以要求所有儀器設(shè)備都必須另接地線（并聯(lián)接地），與地網(wǎng)相連。特別需要注意的是，有時候儀器需在各崗位之間調(diào)用，這時必須要注意儀器的接地。

（4）有些儀器內(nèi)部采用直流耦合（主要是頻譜儀）

各儀器上都有最大允許直流的標識，禁止疊加有直流成分的信號輸入，否則易造成內(nèi)部電路損壞。在使用直流電源的同時，注意不要有意或無意的將電壓引線接到測試臺上（特別是多路輸出電源暫不用的引線或探測引入放大管的直流工作電壓）。

（5）禁止輸入超過儀器允許范圍的信號（頻譜儀、功率計的輸入口輸入功率不得超過其允許的范圍）。特別是測試放大類模塊或設(shè)備時，必須在儀器輸入口串接合適的衰減器（盡量大些），串接衰減器的大小要考慮到可能產(chǎn)生的自激情況。因此需注意以下幾點：

◆計算產(chǎn)品在多大輸入信號時起控;

◆注意加信號時從小信號加起;

◆先開機穩(wěn)定后再加信號，避免沖擊和自激，先接輸入口電纜等;

◆測大功率信號需接2個衰減器（20dB+30dB）時，注意按功率大小連接的順序;

◆功率與電平估算。由0dBm=1mW，1dBm=1.25mW，

2dBm=1.62mW，3dBm=2mW可估算出所有電平與功率的對應(yīng)值;

◆衰減器特性、參數(shù)。

（6）頻譜儀TG、信號源輸出口、功率探頭等反向保護能力差（10～15dBm，電壓0V或10V）。大多模塊與整機都是雙工模式（上下行收發(fā)使用不同的頻率，收發(fā)同時進行），所以在測試雙工類放大器模塊或設(shè)備時，為了防止反饋信號對儀器的損壞，必須在信號源、頻譜儀跟蹤源（TG）等輸出口串接相應(yīng)頻段的隔離器或合適的衰減器，且要定期對隔離器的好壞進行檢查，保證隔離器的反向衰減≥20dBm。需要注意隔離器只能隔離高頻，不能隔直流。要清楚區(qū)分隔離器好壞的檢查方法。

（7）儀器端口的保護

在儀器的輸入輸出端口擰接電纜、轉(zhuǎn)接頭、隔離器或衰減器時，要注意對端口的保護，以免造成接頭松動或接觸不良，從而影響測量精度。網(wǎng)絡(luò)分析儀更應(yīng)注意接頭的維護。

（8）電源、儀器、HPIB、GPIB電纜機、鼠標鍵盤等不可帶電進行插拔或搬動，要在開機前連接上，若需打印可先用軟盤保存，再在電腦上打印。

（9）儀器的左右，特別是后面部分，要與其它物體保持一定的距離來散熱，一般10cm即可。電源和其它帶電和帶磁性的物體不要靠近頻譜儀。

（10）有些儀器在待機狀態(tài)，內(nèi)部部分電路并未斷電，長時間不用或下班時必須拔電源線或給電源插座斷電關(guān)機，如E4432B信號源、FSP頻譜儀、頻率計。在施工現(xiàn)場，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有未斷電關(guān)機的現(xiàn)象。

（11）為了保證測試的準確度，儀器在使用或校準前，必須預(yù)熱半小時以上，并在使用前對儀器狀態(tài)進行檢查并記錄，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，提供可追溯性。在頻譜儀使用過程中，要合理設(shè)置參數(shù)。

（12）所有儀器設(shè)備應(yīng)工作于適宜的溫濕度環(huán)境下（溫度范圍0～+50℃，濕度小于85%為宜），避免陽光直射且遠離震源、水源和腐蝕性氣體等。

另外，有些儀器設(shè)備有其特殊的維護及使用要求，在使用之前都應(yīng)進行了解，并在操作過程中加以注意，只有這樣才能做到防患于未然。

4.2 ?儀器規(guī)范性操作

（1）使用儀器前的要求

儀器接地情況是否良好的檢查，穿防靜電服，佩帶防靜電手腕帶，若需要打印則在儀器加電前接上打印機。endprint

（2）儀器狀態(tài)的檢查

頻譜儀輸入輸出口、信號源輸出正常與否檢查（用信號源輸出或頻譜儀的TG輸出接入頻譜儀輸入口，檢查其是否正常）。

檢查項目：頻譜儀輸入ATT、電平、頻率測量準確度;信號源ATT、輸出信號電平、頻率。

（3）信號源輸出口保護措施

在信號源及頻譜分析儀TG輸出口串接相應(yīng)頻段的隔離器或衰減器并定期檢查其好壞。（注意：反接于頻譜分析儀輸入口，擰接隔離器轉(zhuǎn)動部位、并使用跟蹤TG，寬頻帶檢查隔離器）

（4）頻譜分析儀輸入口保護

估算待測模塊或整機的最大輸出功率（可根據(jù)技術(shù)指標，考慮可能產(chǎn)生的自激情況），在頻譜分析儀的輸入口串接合適（包括衰減值、額定功率大?。┑乃p器。

要注意儀器端口所接的電纜、衰減器及隔離器是否規(guī)范（轉(zhuǎn)動部位）。

（5）儀表參數(shù)設(shè)置及校表

合理設(shè)置儀表參數(shù)（中心頻點、掃描寬度、RBW、VBW等）、后校表（Ref offset）功率校表（此時不加隔離器，及待測設(shè)備輸入電纜）、增益校表（此時加隔離器、所有電纜校表，最好先功率后增益校表，計算方便）。

（6）降低源信號輸出并關(guān)閉

校表后（一般用0dBm信號校表），需將信號降低，比待測產(chǎn)品起控時的輸入電平值稍低并關(guān)閉。否則一加電開信號，產(chǎn)品就會起控。

（7）產(chǎn)品直流供電檢查

在不接待測模塊、整機產(chǎn)品的情況下，檢查直流電源各路輸出電壓是否正確及是否會造成直流饋入儀器。

在使用多路輸出電源時，注意不要用端電壓進行關(guān)閉處理，不可隨意搭接在工作臺上，否則易造成對地短路，燒壞電源或造成饋入信號源及頻譜分析儀的輸出口損壞。

（8）待測產(chǎn)品接地

在儀器與待測產(chǎn)品連接前，先將待測產(chǎn)品接地。

（9）正確連接及產(chǎn)品參數(shù)測試

確認RF信號進出方向，使用測試電纜正確地連接儀器與待測產(chǎn)品，給待測模塊及設(shè)備先開電，穩(wěn)定后，接儀器輸入電纜，再接儀器輸出電纜，加信號。

（10）操作注意事項

不可將手腕搭在衰減器上操作儀器;當測完增益波動（用掃頻）后，再測試功率、IP3，測1dB壓縮點（用點頻）時，不可將點頻信號源的輸出接入頻譜儀的TG輸出口;當發(fā)現(xiàn)有自激時，應(yīng)先立即斷電、關(guān)信號，檢查儀器及隔離器的好壞。

5 ? 應(yīng)用實例分享及產(chǎn)品檢測探討

某公司要測試直放站R-9110AC，其增益為92dB，

最大輸出功率為40W，頻點為900MHz。測試方法如下：

（1）測試前先將頻譜分析儀、信號發(fā)生器預(yù)熱30分鐘。

（2）根據(jù)被測試直放站頻點、最大輸出功率選擇對應(yīng)的隔離器、衰減器、測試電纜，因被測試直放站為900MHz，故選用頻點800MHz～1 000MHz的隔離器。

◆為判定隔離器的好壞，在校表前先對隔離器正反損耗進行測試，正向0.2～0.5dB為正常，反向大于20dB為正常。

◆選用合適的衰減器，因被測直放站輸出功率為10W，故選用50dB/100W衰減器進行測試。

（3）按被測直放站指標，對頻譜分析儀、信號發(fā)生器進行校表，一般采用功率校表。

◆將信號發(fā)生器頻點分別設(shè)置為897MHz、942MHz，頻譜分析儀頻點分別設(shè)置為897MHz、942MHz，并記錄對應(yīng)的測試值，同時對頻譜分析儀設(shè)置偏移量，使其輸入為0dB，輸出也為0dBm。

◆將信號發(fā)生器與電纜相連、隔離器與頻譜分析儀輸入端電纜連接，在頻譜分析儀讀取一個值，此值在計算增益時要相加才是增益的實際值。

◆測量功率時，在頻譜分析儀直接讀取即可。

（4）在測試增益指標時，先計算直放站大概輸入多大信號會起控，一般起控制值等于功率減去增益，在本測試案例中，起控值即為40-92=-52dB，故在測試時要輸入比-52dB還要少10dB的信號測試，然后再慢慢加大信號，這樣才能有效避免直放站被燒毀。

（5）在測試波動時，注意不能在起控時進行測試，一般按起控回退3dB進行測試，即輸入-55dB時進行測試。

（6）測試交調(diào)時，要輸入雙載波進行測試，同時必須在剛起控時進行測試。

測試方法小結(jié)：

（1）產(chǎn)品增益檢測時，在設(shè)備輸出端增加一個衰減器，用于保護頻譜分析儀，在計算增益時要考慮衰減器的衰減值;

（2）在檢測產(chǎn)品輸出功率時，逐步增大信號源載波輸出功率，觀察頻譜分析儀顯示信號電平，直至其不再增大;也可以檢測AP射頻口的輸出功率;

（3）在測試帶內(nèi)波動時，讀取頻譜分析儀上有效頻帶寬度內(nèi)最大和最小電平之間的差值，即為帶內(nèi)波動;

（4）測試三階互調(diào)時，觀察頻譜分析儀上2路載波的頻率f1和f2，雜散分量為2f1-f2和2f2-f1，那么三階互調(diào)為L3-L1，具體如圖4所示，也可以檢測集采天線的互調(diào)值;

圖4 ? ?三階互調(diào)計算方法示意圖

（5）檢測產(chǎn)品的回波損耗值需要用環(huán)形器，當環(huán)形器輸出端空載時記錄回波損耗值，然后輸出端加載天線時，再次記錄回波損耗值，兩者的差值即為天線的回波損耗值。

6 ? 結(jié)束語

本文從頻譜分析儀的工作原理出發(fā)，對頻譜分析儀在產(chǎn)品質(zhì)量檢測中的應(yīng)用進行了詳細的闡述，以常見檢測的產(chǎn)品參數(shù)為主線，分別對各種檢測方法進行了總結(jié)，并對產(chǎn)品檢測中的技巧進行了描述?？傊l譜分析儀在產(chǎn)品檢測中發(fā)揮著不可忽視的重要作用。

參考文獻：

[1] 張睿. 無線通信儀表與測試應(yīng)用[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2012.

[2] 鐘蘇. 通信測試儀器[M]. 西安： 西安電子科技大學(xué)出版社， 2009.

[3] 史藝. 通信儀器儀表理論與實踐[M]. 武漢： 武漢大學(xué)出版社， 2012.

[4] 安捷倫科技有限公司. 安捷倫頻譜儀Agilent E4407B使用說明[Z]. 2013.

[5] 李劍雄. 頻譜分析儀與測量技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2011.

作者簡介

高進：工程師，碩士畢業(yè)于南京理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中國移動通信集團河南有限公司采購部，從事質(zhì)量管理工作，一直致力于通信產(chǎn)品的質(zhì)量管理體系研究。endprint