兩種測(cè)量接收機(jī)的比較及其不確定度的分析與評(píng)定

楊婷

摘要：本文介紹了近年來實(shí)驗(yàn)室普遍使用的兩款測(cè)量接收機(jī)：惠普公司的HP8902A以及Agilent公司生產(chǎn)的N5531S。分別對(duì)兩款測(cè)量接收機(jī)的工作原理、性能和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行闡述，還針對(duì)校準(zhǔn)中測(cè)量不確定度的分析與評(píng)定做了詳細(xì)論述。

關(guān)鍵詞：測(cè)量接收機(jī)；射頻功率；測(cè)量誤差；不確定度分析

中圖分類號(hào)：TN820.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）11（b）-0000-00

Abstract： The paper introduces two measuring receivers which are widely used in labs in recent years：HP8902A manufactured by HP company and N5531S mnufactured by Agilent company.The paper describes the operating principles performance，superiorities and short comings of the two measuring receivers，furthermore，the paper describes in detail the analysisand evaluation of their uncertainties caused by the process of calibration.

Key words： measuring receivers；RF power；measurement error；analysis of uncertain；

1 測(cè)量高頻信號(hào)發(fā)生器的接收機(jī)

高頻信號(hào)發(fā)生器在現(xiàn)代通訊、導(dǎo)航等高科技領(lǐng)域中的研制和生產(chǎn)過程中起者十分重要的作用，測(cè)量接收機(jī)用于校準(zhǔn)射頻和微波信號(hào)發(fā)生器及衰減器，能對(duì)其各項(xiàng)性能：如輸出電平、載波頻率、調(diào)制深度、調(diào)制頻率等參數(shù)做出快速、準(zhǔn)確的判斷。在測(cè)量信號(hào)時(shí)，測(cè)量接收機(jī)對(duì)信號(hào)造成的失真小，測(cè)試的幅度范圍寬，準(zhǔn)確度高。

1.1 HP8902A測(cè)量接收機(jī)

HP8902A測(cè)量接收機(jī)是美國HP公司生產(chǎn)的，采用同軸開關(guān)設(shè)計(jì)，把同軸開關(guān)集成在功率傳感器里面，并將高準(zhǔn)確度的功率計(jì)和精密衰減器聯(lián)合使用，運(yùn)用微處理器控制進(jìn)行存儲(chǔ)比較、修正的信號(hào)分析儀器。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量較方便，具有寬動(dòng)態(tài)范圍的絕對(duì)電平精確測(cè)量功能，準(zhǔn)確度較高，但缺點(diǎn)是開關(guān)的老化，容易產(chǎn)生磨損。

1.1.1 基本原理

HP8902A測(cè)量接收機(jī)是帶有校準(zhǔn)功能的外差式接收機(jī)。[1]它使輸入信號(hào)變成固定中頻信號(hào)，然后進(jìn)行解調(diào)。在高頻功率測(cè)量時(shí)，高頻信號(hào)直接從功率靈敏頭輸入，信號(hào)被功率頭內(nèi)的熱電偶吸收，隨后產(chǎn)生與輸入高頻信號(hào)功率成比例的直流電壓。HP8902A校準(zhǔn)裝置主要由測(cè)量接收機(jī)、11793變頻器、本振信號(hào)發(fā)生器和功率探頭（11722A、11792A）組成。當(dāng)被測(cè)頻率為2.5 MHz～1.3GHz時(shí)直接用HP8902A測(cè)量接收機(jī)進(jìn)行測(cè)試，頻率高于1.3GHz后采用外接本振信號(hào)發(fā)生器和自身變頻器與測(cè)量接收機(jī)組成的測(cè)試系統(tǒng)，先將被測(cè)信號(hào)變頻到1.3GHz以下再測(cè)試。

1.1.2 HP8902A測(cè)量接收機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)與功能：

（1）頻率范圍：2.5 MHz～26.5GHz

電平量程：0～-127dBm （2.5 MHz～1.3GHz）

0～-110dBm （1.3GHz ～26.5GHz）

分辨率： 0.001dB

HP8902A的標(biāo)準(zhǔn)頻率覆蓋為1.3 GHz，頻率在1.3 GHz以上需要通過下變頻器進(jìn)行混頻后輸出。

最小RF帶寬：200Hz

（2）2個(gè)不同的解調(diào)帶寬

（3）需要外接失真分析儀

（4）HP8902A只能連接（11722A/11792A）功率探頭，

1.2 N5531S 測(cè)量接收機(jī)

N5531S測(cè)量接收機(jī)是美國Agilent公司生產(chǎn)的，它是基于Agilent PSA系列（E4447A）高性能頻譜分析儀和EPM/EPM—P功率計(jì)而設(shè)計(jì)。[2]N5531S的頻率覆蓋可達(dá)40GHz以上，無需外部下變頻器并且有可解決失真測(cè)量的能力。N5531S比HP8902A有更高的精度和更寬的解調(diào)帶寬及頻率范圍，操作更簡(jiǎn)單，靈活性也更高。

1.2.1 基本原理

N5531S在整體框架上沿用了HP8902A的結(jié)構(gòu)，但沒有用到同軸開關(guān)，而是使用無源分路器，是將多功能測(cè)試合為一體的緊湊型系統(tǒng)。其測(cè)量接收機(jī)由功率計(jì)、功率探頭（N5532B Option18、N5532B Option550）、衰減測(cè)量模塊和調(diào)制度測(cè)量?jī)x組成。但是整個(gè)系統(tǒng)是基于頻譜分析儀和功率計(jì)，所以無論是功率測(cè)量還是射頻測(cè)量，都只需要簡(jiǎn)單的連接便可以輕松完成。

1.2.2 N5531S測(cè)量接收機(jī)的的主要優(yōu)點(diǎn)與功能：

（1）頻率范圍：3Hz～44GHz

電平量程：（-10～-130）dBm

分辨率： 0.001dB

最小RF帶寬：1Hz

（2）測(cè)量Tuned-RF Level操作簡(jiǎn)單

（3）典型的調(diào)制分析儀用戶界面

（4）AM/FM/PM高性能解調(diào)分析

（5）更多（160個(gè)）的解調(diào)帶寬

（6）直接連接自身功率探頭，也可以連接其他功率計(jì)（EPM/EPM-P），“即插即用”簡(jiǎn)單、快捷。測(cè)量無需校準(zhǔn)，不需要輸入校準(zhǔn)因子，只要進(jìn)行清零就可以直接使用。

2 射頻電平校準(zhǔn)方法

[3]測(cè)量接收機(jī)既可以測(cè)量寬動(dòng)態(tài)范圍的絕對(duì)電平，又可以測(cè)量相對(duì)電平（衰減）。測(cè)絕對(duì)電平時(shí)，功率計(jì)/功率探頭所對(duì)應(yīng)的與頻率有關(guān)的校準(zhǔn)因子，可用功率標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)而得到，并將校準(zhǔn)因子存入功率計(jì)內(nèi)存中，以備調(diào)用。測(cè)量接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍比較大，量程范圍寬，可以從30dBm～-130dBm，而且調(diào)諧射頻電平測(cè)量線性度高。當(dāng)衰減量為0 dB時(shí)，不確定度最??；當(dāng)衰減量為110 dB時(shí)，不確定度最大。

（1）HP8902A的校準(zhǔn)方法：[4]將測(cè)量接收機(jī)HP8902A的功率探頭（11722A/11792A）和被測(cè)儀器的輸出端直接相連，采用直接測(cè)量法，由HP8902A直接讀取參數(shù)的測(cè)量值。

（2）N5531S的校準(zhǔn)方法。將測(cè)量接收機(jī)N5531S的功率探頭（N5532B）和被測(cè)儀器的輸出端直接相連，采用直接測(cè)量法，由N5531S直接讀取參數(shù)的測(cè)量值。

（3）兩者實(shí)測(cè)結(jié)果的比較。

3 HP8902A射頻功率測(cè)量不確定度分析與評(píng)定

3.1 數(shù)學(xué)模型

射頻功率準(zhǔn)確度： A = AH

式中： AH——HP8902A讀數(shù)

A——信號(hào)發(fā)生器E8257D數(shù)值

3.2 系統(tǒng)測(cè)量的框圖如圖1所示，信號(hào)發(fā)生器E8257D輸出載波信號(hào)，通過功率探頭（11722A、11792A）輸入到測(cè)量接收機(jī)HP8902A中.

圖1系統(tǒng)測(cè)量的框圖

3.3 不確定度來源

a） 測(cè)量接收機(jī)非線性誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

b） 測(cè)量接收機(jī)測(cè)量分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

c） 量程轉(zhuǎn)換引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

d） 信號(hào)發(fā)生器電平穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

e） 端口失配引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

f） 噪聲引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

g） 測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

a）測(cè)量接收機(jī)非線性誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1

對(duì)接收機(jī)非線性誤差進(jìn)行修正，最大允許誤差±0.05dB按均勻分布，取包含因子，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1=0.05/dB=0.029 dB

b） 測(cè)量接收機(jī)測(cè)量分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2

測(cè)量接收測(cè)量分辨力引入的誤差為0.001 dB，，按均勻分布，取包含因子，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2=0.001/dB=0.0058 dB

c） 量程轉(zhuǎn)換引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3

量程轉(zhuǎn)換分中頻量程轉(zhuǎn)換和射頻量程轉(zhuǎn)換。中頻量程轉(zhuǎn)換時(shí)量程（1～5）dB允許誤差為±0.02dB/量程，量程（6～7）dB允許誤差為±0.05dB/量程；射頻量程轉(zhuǎn)換允許誤差±0.057dB。根據(jù)說明書要求，按均勻分布，取包含因子，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3=0.057/dB =0.10 dB

d） 信號(hào)發(fā)生器電平穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4

信號(hào)發(fā)生器電平穩(wěn)定性引入的誤差為±0.02 dB，按均勻分布，取包含因子，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4=0.02/dB=0.012 dB

e） 端口失配引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u5

信號(hào)發(fā)生器端口駐波p=2.0，反射系數(shù)гG=p-1/p+1=0.33；測(cè)量接收機(jī)的端口駐波p=1.5，反射系數(shù)г2=p-1/p+1=0.2；零刻度時(shí)的起始衰減為0.1dB，當(dāng)衰減量為10dB，所以S12=S21，S12=S21，г1=0.54和г2=0.25，按失配誤差公式估計(jì)失配誤差極限：，代入各值可得由失配引入最大誤差為0.36dB，服從反正弦分布，k=則u5=0.36/=2%=0.26 dB

f） 噪聲引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u6

根據(jù)說明書要求，當(dāng)測(cè)量信號(hào)小于-120 dBm時(shí)由噪聲引入的誤差為±0.18dBm，按均勻分布，取包含因子，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u6=0.18/dB =0.10 dB

g） 測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u7

測(cè)量重復(fù)性采用A類評(píng)定，用得到的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差表征。通過Agilent公司的信號(hào)發(fā)生器（8257D）輸出f=100MHz、P=-10dBm，用HP8902A對(duì)其重復(fù)測(cè)量10次，測(cè)量一組測(cè)量列：（單位：dBm）

-9.991、-9.986、 -9.984、 -9.982、 -9.981、 -9.980 、-9.980、 -9.980 、-9.979 、-9.978

/10 =-9.982 dBm

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差利用下式計(jì)算：

S（x）= =0.39

u7 =S（x）/ =1.23 dB

3.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

以上各分量相互獨(dú)立各不相關(guān)，可知其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc

uc = = 0.28dB

3.6 擴(kuò)展不確定度

若置信概率p = 95% ，則包含因子k = 2 ，由此可知擴(kuò)展不確定度U

U = k uc

U= k×uc = 2×0.28=0.56dB

4 N5531S射頻功率測(cè)量不確定度分析與評(píng)定

4.1 數(shù)學(xué)模型

射頻功率準(zhǔn)確度： A = AH

式中： AH——N5531S讀數(shù)

A——信號(hào)發(fā)生器E8257D數(shù)值

4.2系統(tǒng)測(cè)量的框圖如圖2所示，信號(hào)發(fā)生器E8257D輸出載波信號(hào)，通過電纜連接輸入到測(cè)量接收機(jī)N5531S中.

圖2系統(tǒng)測(cè)量的框圖

4.3 不確定度來源

a） 測(cè)量裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

b） 測(cè)量接收機(jī)測(cè)量分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

c） 信號(hào)發(fā)生器電平穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

d） 端口失配引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

e）噪聲引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

f） 測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

4.4標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

a） 測(cè)量裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1

將N5531S經(jīng)上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)檢定合格，最大允許誤差為±（0.015+0.005/10）dB，按均勻分布，取包含因子，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1（10）=（0.015+0.005）/=0.012dB

b） 測(cè)量接收機(jī)測(cè)量分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2

測(cè)量接收測(cè)量分辨力引入的誤差為0.001 dB，，按均勻分布，取包含因子，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2=0.001/dB=0.0058 dB

c） 信號(hào)發(fā)生器電平穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4

信號(hào)發(fā)生器電平穩(wěn)定性引入的誤差為0.02 dB，按均勻分布，取包含因子，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4=0.02/dB=0.012 dB

d） 端口失配引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u5

信號(hào)發(fā)生器端口駐波p=2.0，反射系數(shù)г1=p-1/p+1=0.33；測(cè)量接收機(jī)的端口駐波p=1.1，反射系數(shù)г2=p-1/p+1=0.048； 零刻度時(shí)的起始衰減為0.1dB，當(dāng)衰減量為10dB，所以S12=S21，S12=S21，г1=0.54和г2=0.25，按失配誤差公式估計(jì)失配誤差極限：，代入各值可得由失配引入最大誤差為0.28dB，服從反正弦分布，k=則u5=0.288/=2%=0.20 dB

e） 噪聲引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u6

根據(jù)說明書要求，當(dāng)測(cè)量信號(hào)小于-80dBm時(shí)由噪聲引入的誤差為±0.10dBm，按均勻分布，取包含因子，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u6=0.10/dB =0.058 dB

f） 測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u7

測(cè)量重復(fù)性采用A類評(píng)定，用得到的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差表征。通過Agilent公司的信號(hào)發(fā)生器（E8257D ）輸出f=100MHz、P=-10dBm，用N5531S對(duì)其重復(fù)測(cè)量10次，測(cè)量一組測(cè)量列：（單位：dBm）

-9.998、-9.992、 -9.990、 -9.990、 -9.996、 -9.994 、-9.993、 -9.993 、-9.992 、-9.991

/10 =-9.993 dBm

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差利用下式計(jì)算：

S（x）= =0.26

u7 =S（x）/ =0.82 dB

4.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

以上各分量相互獨(dú)立各不相關(guān)，可知其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc：

uc = = 0.21dB

4.6 擴(kuò)展不確定度

若取置信概率p=95%，則包含因子k=2，由此可得擴(kuò)展不確定度為：

U= k×uc = 2×0.21=0.42dB

5 結(jié)論

HP8902A在測(cè)量接收機(jī)中具有非常重要的地位。它由功率計(jì)、衰減測(cè)量接收機(jī)和調(diào)制度測(cè)量?jī)x三部分組成，可以測(cè)量頻率、功率、衰減、調(diào)幅深度和調(diào)頻頻偏等參數(shù)。而Agilent公司后期推出的N5531S比HP8902A有更寬的頻率范圍，更高的精度和靈活性。N5531S比HP8902A還多了很強(qiáng)的頻譜分析功能和數(shù)字調(diào)制信號(hào)分析功能。[5]本文通過對(duì)兩種接收機(jī)工作原理的了解，綜合測(cè)量過程分析誤差項(xiàng)來源，給予較為全面、合理的不確定度評(píng)定，為今后工作中的作業(yè)指導(dǎo)書的編寫、計(jì)量確認(rèn)和實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可提供技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

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