频谱分析仪在产品检测中的应用探讨

【摘    要】阐述了频谱分析仪的产品分类，并对其工作原理进行了简要分析，针对频谱分析仪在产品质量检测中的应用，以经常检测的产品参数为主线，分别对各种检测方法进行了总结并分享了一个具体的检测案例。

【关键词】频谱分析仪    射频测量    杂散    失真    调制

中图分类号：TH7    文献标识码：B    文章编号：1006-1010（2014）-15-0063-06

1   引言

频谱分析仪主要用于显示输入信号的频谱特性，因此对信号分析而言它是不可缺少的量测仪器。频谱分析仪透过频域对信号进行分析、研究，它还能够应用于更多不同的领域，如无线讯号收发、信号干扰检测、频谱监测、元件特性分析等，频谱分析仪是电子产品研发、生产、检验工作中的常用工具，对于无线通讯信号的测量来说更是必不可少的工具，其应用范围十分广泛，因此也有工程师将它称为射频量测的万用电表。其主要功能包括：频率设置、基准电平设置、跟踪发生器设置、跟踪控制设置、利用标记功能测量回波损耗和频宽、扫描时间及触发控制设置等。

针对时域方面的信号量测，示波器是一个非常重要且很有效率的量测仪器，它能直接显示信号波幅、频率、周期、波形与相位之间的响应变化。一般来说，示波器必须具备双轨迹输出显示装置，同时内建有IEEE-488、IEEE-1394或RS-232等界面功能以便与绘图仪器连结，有利于后续量测显示资讯输出与绘图的研究相比较。示波器的缺点是只局限于低频信号，对于高频信号的分析成为其需要面临的一大挑战。示波器主要用来显示时域信号幅度的变化，而频谱仪显示的是频域信号幅度的变化。频谱分析仪弥补了示波器对高频信号分析不足的缺点，它可以同时将多频信号以频域的方式来呈现，显示了信号在频域里的特性，方便辨识出不同频率的功率装置。

2   频谱分析仪的分类及工作原理

2.1  频谱分析仪的分类

FFT（快速傅立叶变换）分析仪，是用数值计算的方法来处理一定时间周期的信号，可提供频率、幅度和相位信息。它的特点是速度快、精度高，但其分析频率带宽受ADC（模拟数字转换）采样速率限制，适用于窄带宽信号分析、快速测量场合、并行滤波器组处理。

扫频式频谱分析仪，可分析稳定的和周期变化的信号，可提供信号幅度和频率信息，适用于宽频带快速扫描测试、滤波器扫描测试。扫频式频谱仪组成框图和扫频式频谱仪测量过程分别如图1和图2所示。

（1）输入衰减器作用：第一级处理，输入Attenua-tor，保证频谱仪在宽频范围内保持良好的匹配特性;保护内部混频及中频处理电路，防止损坏;防止产生过大非线性失真。

（2）内部输入衰减器与中频放大器保持联动关系，中频放大器具有自动补偿衰减的作用，输入信号测量不会受衰减器设置影响。

（3）当ATT设置为Auto时，改变参考电平，ATT会随之改变。

2.2  频谱分析仪测试原理

频谱分析仪的主要参数有：

◆频率显示范围：中心频率和频率跨度，起始频率和终止频率;

◆电平显示范围：REF LEL和输入ATT;

◆频率分辨率：分辨带宽RBW、VBW;

◆扫描时间：SWP;

◆检波方式。

频谱分析仪测试界面如图3所示。

频谱分析仪测试原理如下：

（1）频谱分析仪依靠中频滤波器分辨各频率成分、检波器测量信号功率，依靠本振和显示横坐标的对应关系得到信号频率值。

（2）当输入信号为单频点信号时，该信号需和扫描本振信号进行混频，这样中频信号即为频率变化的扫频信号，该扫频信号通过中频滤波器和检波器后输出波形为中频滤波器的频响形状。

（3）检波器输出的视频信号通过放大、采样、数字化决定显示信号的垂直电平。

（4）扫描振荡器使水平频率轴和本地振荡器调谐同步，它同时驱动水平偏转和调谐LO。

3   频谱分析仪的应用与意义

频谱分析仪在射频领域的应用非常广泛。频谱分析仪的主要功能是量测信号的大小或振幅，系统维护、信号量测、组件的频率增益与物料品管等都在频谱分析仪的应用范围之中。频谱仪最基本的作用就是发现和测量信号的幅度。频谱仪可以以图示化的方式显示设定频率范围内的射频信号，信号越强频谱仪显示的幅度也越大。通过这种特性，频谱仪被用来搜索一定频段内的射频信号，广泛应用在监测电磁环境、无线电频谱监测、电子产品电磁兼容测量、无线电发射机发射特性、信号源输出信号品质、反无线窃听器等领域。

频谱分析仪可以测量射频信号的多种特征参数，如频率、选频功率、带宽、邻道功率、调制波形、场强等。在射频信号频率测量方面，虽然频率计是专业的设备，但遇到时分多址信号（GSM移动电话、IDEN、TETRA）、跳频信号、宽带信号时，普通频率计无法准确计数，功率计无法及时测量，而频谱仪基于高速的信号捕捉，则可以测量这些信号。针对这些常见的不稳定信号，很多中高档频谱仪还在测量软件上做了优化，提供专用的自动测量工具。

由于频谱分析仪具有将射频信号图示化的能力，频谱图可以帮助了解信号的特性和类型，有助于最终确定信号的调制方式和发射机类型。

在军事领域，频谱分析仪在电子对抗和频谱监测中被广泛应用，不同类型的雷达信号、通信电台信号、应答机信号、“敌我”识别器信号都有不同特征的频谱图。

在民用无线电管理领域，通过频谱图，可以及时发现非法使用的频率，这比传统扫描监听的效率要高得多。endprint

在不明干扰源的定位中，频谱图有助于判断干扰信号的类型，并推断产生干扰信号的可能设备，以缩小排查范围。

频谱分析仪还是一部很好的场强仪，而且动态范围比较大。一些具有自动测量功能的频谱分析仪可以方便地读出目标信号的场强数值，同时可以显示目标频率周边的情况。实际应用中，有很多手持频谱分析仪就替代了场强仪。

频谱分析仪与跟踪信号源配合使用，可以显示双端口网络的频幅特性，扩展了频谱分析仪的用途。该功能类似于扫频仪和标量网络分析仪的主要功能，比普通老式扫频仪的精度要高得多，可应用于滤波器的调校。如果频谱仪与跟踪源结合，同时配合驻波电桥使用，还能直接图示化天线的匹配情况，具有天线分析仪的部分功能。

4   频谱分析仪的使用技巧

4.1  仪器操作注意事项

仪器设备是公司进行生产经营的主要工具，它的精度直接影响着公司的产品质量。公司的仪器设备大多贵重且使用频率较高，若损坏一台精密仪器，公司不仅要承担昂贵的维修费用，而且还会影响公司生产的有序进行，其间接经济损失无法估计。

为了保证仪器设备的精度，防止仪器设备的人为损坏，在使用仪器设备时，要注意以下一些使用与维护注意事项：

（1）初次使用某仪器设备之前，必须由相关人员进行培训、指导，以了解其主要功能、操作规范及使用注意事项。

（2）静电防护：电子仪器（尤其是微波仪器设备）对静电非常敏感，应采取严格的静电防护措施，特别是对于仪器的输入输出端口。超过100V的静电可能会损坏仪器灵敏度性能。仪器操作一般要求：防静电工作台、座椅、穿戴防静电服、佩戴防静电手腕带。

（3）所有仪器必须接地良好

如果某一设备（仪器）未接地或地线接触不良，会造成设备端口带电，这对于功率探头、信号源输出口、频谱仪输入输出端口及HPIB、GBIP端口是致命的，因为它可以在该端口与其它设备相连的瞬间放电，从而损坏内部电路（输入衰减器ATT、混频器、放大器或输入电路等），造成较大的经济损失。CRT显示仪器后面都有专门的接地端，有的仪器则没有。国外都是通过三芯电源插头＼插座的接地端与地相连来保证仪器的接地。但实际使用的电源插座因质量不合格或接触不良，没法保证接地，所以要求所有仪器设备都必须另接地线（并联接地），与地网相连。特别需要注意的是，有时候仪器需在各岗位之间调用，这时必须要注意仪器的接地。

（4）有些仪器内部采用直流耦合（主要是频谱仪）

各仪器上都有最大允许直流的标识，禁止叠加有直流成分的信号输入，否则易造成内部电路损坏。在使用直流电源的同时，注意不要有意或无意的将电压引线接到测试台上（特别是多路输出电源暂不用的引线或探测引入放大管的直流工作电压）。

（5）禁止输入超过仪器允许范围的信号（频谱仪、功率计的输入口输入功率不得超过其允许的范围）。特别是测试放大类模块或设备时，必须在仪器输入口串接合适的衰减器（尽量大些），串接衰减器的大小要考虑到可能产生的自激情况。因此需注意以下几点：

◆计算产品在多大输入信号时起控;

◆注意加信号时从小信号加起;

◆先开机稳定后再加信号，避免冲击和自激，先接输入口电缆等;

◆测大功率信号需接2个衰减器（20dB+30dB）时，注意按功率大小连接的顺序;

◆功率与电平估算。由0dBm=1mW，1dBm=1.25mW，

2dBm=1.62mW，3dBm=2mW可估算出所有电平与功率的对应值;

◆衰减器特性、参数。

（6）频谱仪TG、信号源输出口、功率探头等反向保护能力差（10～15dBm，电压0V或10V）。大多模块与整机都是双工模式（上下行收发使用不同的频率，收发同时进行），所以在测试双工类放大器模块或设备时，为了防止反馈信号对仪器的损坏，必须在信号源、频谱仪跟踪源（TG）等输出口串接相应频段的隔离器或合适的衰减器，且要定期对隔离器的好坏进行检查，保证隔离器的反向衰减≥20dBm。需要注意隔离器只能隔离高频，不能隔直流。要清楚区分隔离器好坏的检查方法。

（7）仪器端口的保护

在仪器的输入输出端口拧接电缆、转接头、隔离器或衰减器时，要注意对端口的保护，以免造成接头松动或接触不良，从而影响测量精度。网络分析仪更应注意接头的维护。

（8）电源、仪器、HPIB、GPIB电缆机、鼠标键盘等不可带电进行插拔或搬动，要在开机前连接上，若需打印可先用软盘保存，再在电脑上打印。

（9）仪器的左右，特别是后面部分，要与其它物体保持一定的距离来散热，一般10cm即可。电源和其它带电和带磁性的物体不要靠近频谱仪。

（10）有些仪器在待机状态，内部部分电路并未断电，长时间不用或下班时必须拔电源线或给电源插座断电关机，如E4432B信号源、FSP频谱仪、频率计。在施工现场，经常发现有未断电关机的现象。

（11）为了保证测试的准确度，仪器在使用或校准前，必须预热半小时以上，并在使用前对仪器状态进行检查并记录，以便及时发现问题，提供可追溯性。在频谱仪使用过程中，要合理设置参数。

（12）所有仪器设备应工作于适宜的温湿度环境下（温度范围0～+50℃，湿度小于85%为宜），避免阳光直射且远离震源、水源和腐蚀性气体等。

另外，有些仪器设备有其特殊的维护及使用要求，在使用之前都应进行了解，并在操作过程中加以注意，只有这样才能做到防患于未然。

4.2  仪器规范性操作

（1）使用仪器前的要求

仪器接地情况是否良好的检查，穿防静电服，佩带防静电手腕带，若需要打印则在仪器加电前接上打印机。endprint

（2）仪器状态的检查

频谱仪输入输出口、信号源输出正常与否检查（用信号源输出或频谱仪的TG输出接入频谱仪输入口，检查其是否正常）。

检查项目：频谱仪输入ATT、电平、频率测量准确度;信号源ATT、输出信号电平、频率。

（3）信号源输出口保护措施

在信号源及频谱分析仪TG输出口串接相应频段的隔离器或衰减器并定期检查其好坏。（注意：反接于频谱分析仪输入口，拧接隔离器转动部位、并使用跟踪TG，宽频带检查隔离器）

（4）频谱分析仪输入口保护

估算待测模块或整机的最大输出功率（可根据技术指标，考虑可能产生的自激情况），在频谱分析仪的输入口串接合适（包括衰减值、额定功率大小）的衰减器。

要注意仪器端口所接的电缆、衰减器及隔离器是否规范（转动部位）。

（5）仪表参数设置及校表

合理设置仪表参数（中心频点、扫描宽度、RBW、VBW等）、后校表（Ref offset）功率校表（此时不加隔离器，及待测设备输入电缆）、增益校表（此时加隔离器、所有电缆校表，最好先功率后增益校表，计算方便）。

（6）降低源信号输出并关闭

校表后（一般用0dBm信号校表），需将信号降低，比待测产品起控时的输入电平值稍低并关闭。否则一加电开信号，产品就会起控。

（7）产品直流供电检查

在不接待测模块、整机产品的情况下，检查直流电源各路输出电压是否正确及是否会造成直流馈入仪器。

在使用多路输出电源时，注意不要用端电压进行关闭处理，不可随意搭接在工作台上，否则易造成对地短路，烧坏电源或造成馈入信号源及频谱分析仪的输出口损坏。

（8）待测产品接地

在仪器与待测产品连接前，先将待测产品接地。

（9）正确连接及产品参数测试

确认RF信号进出方向，使用测试电缆正确地连接仪器与待测产品，给待测模块及设备先开电，稳定后，接仪器输入电缆，再接仪器输出电缆，加信号。

（10）操作注意事项

不可将手腕搭在衰减器上操作仪器;当测完增益波动（用扫频）后，再测试功率、IP3，测1dB压缩点（用点频）时，不可将点频信号源的输出接入频谱仪的TG输出口;当发现有自激时，应先立即断电、关信号，检查仪器及隔离器的好坏。

5   应用实例分享及产品检测探讨

某公司要测试直放站R-9110AC，其增益为92dB，

最大输出功率为40W，频点为900MHz。测试方法如下：

（1）测试前先将频谱分析仪、信号发生器预热30分钟。

（2）根据被测试直放站频点、最大输出功率选择对应的隔离器、衰减器、测试电缆，因被测试直放站为900MHz，故选用频点800MHz～1 000MHz的隔离器。

◆为判定隔离器的好坏，在校表前先对隔离器正反损耗进行测试，正向0.2～0.5dB为正常，反向大于20dB为正常。

◆选用合适的衰减器，因被测直放站输出功率为10W，故选用50dB/100W衰减器进行测试。

（3）按被测直放站指标，对频谱分析仪、信号发生器进行校表，一般采用功率校表。

◆将信号发生器频点分别设置为897MHz、942MHz，频谱分析仪频点分别设置为897MHz、942MHz，并记录对应的测试值，同时对频谱分析仪设置偏移量，使其输入为0dB，输出也为0dBm。

◆将信号发生器与电缆相连、隔离器与频谱分析仪输入端电缆连接，在频谱分析仪读取一个值，此值在计算增益时要相加才是增益的实际值。

◆测量功率时，在频谱分析仪直接读取即可。

（4）在测试增益指标时，先计算直放站大概输入多大信号会起控，一般起控制值等于功率减去增益，在本测试案例中，起控值即为40-92=-52dB，故在测试时要输入比-52dB还要少10dB的信号测试，然后再慢慢加大信号，这样才能有效避免直放站被烧毁。

（5）在测试波动时，注意不能在起控时进行测试，一般按起控回退3dB进行测试，即输入-55dB时进行测试。

（6）测试交调时，要输入双载波进行测试，同时必须在刚起控时进行测试。

测试方法小结：

（1）产品增益检测时，在设备输出端增加一个衰减器，用于保护频谱分析仪，在计算增益时要考虑衰减器的衰减值;

（2）在检测产品输出功率时，逐步增大信号源载波输出功率，观察频谱分析仪显示信号电平，直至其不再增大;也可以检测AP射频口的输出功率;

（3）在测试带内波动时，读取频谱分析仪上有效频带宽度内最大和最小电平之间的差值，即为带内波动;

（4）测试三阶互调时，观察频谱分析仪上2路载波的频率f1和f2，杂散分量为2f1-f2和2f2-f1，那么三阶互调为L3-L1，具体如图4所示，也可以检测集采天线的互调值;

图4    三阶互调计算方法示意图

（5）检测产品的回波损耗值需要用环形器，当环形器输出端空载时记录回波损耗值，然后输出端加载天线时，再次记录回波损耗值，两者的差值即为天线的回波损耗值。

6   结束语

本文从频谱分析仪的工作原理出发，对频谱分析仪在产品质量检测中的应用进行了详细的阐述，以常见检测的产品参数为主线，分别对各种检测方法进行了总结，并对产品检测中的技巧进行了描述。总之，频谱分析仪在产品检测中发挥着不可忽视的重要作用。

参考文献：

[1] 张睿. 无线通信仪表与测试应用[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2012.

[2] 钟苏. 通信测试仪器[M]. 西安： 西安电子科技大学出版社， 2009.

[3] 史艺. 通信仪器仪表理论与实践[M]. 武汉： 武汉大学出版社， 2012.

[4] 安捷伦科技有限公司. 安捷伦频谱仪Agilent E4407B使用说明[Z]. 2013.

[5] 李剑雄. 频谱分析仪与测量技术基础[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2011.

作者简介

高进：工程师，硕士毕业于南京理工大学，现任职于中国移动通信集团河南有限公司采购部，从事质量管理工作，一直致力于通信产品的质量管理体系研究。endprint