北邮电磁场与电磁波实验 频谱分析仪的使用

电磁场与电磁波测量实验

实验内容：5.3 微波实验单元项目

学院：电子工程学院

专业：电子信息科学与技术

班级：

报告撰写人：

目录

5.3.1 频谱分析仪的使用 (3)

1 实验目的 (3)

2 实验设备 (3)

3实验原理 (3)

4实验内容 (3)

5.实验心得 (7)

5.3.2 衰减器的特性测量 (7)

1.实验目的 (7)

2.实验仪器 (7)

3. 实验内容及数据处理 (7)

4. 实验总结 (9)

5.3.3 定向耦合器特性测量 (10)

1．耦合度测量 (10)

2.插入损耗测量 (10)

3．定向耦合器的隔离度测量 (11)

4.幅频特性测量 (12)

5.实验总结： (12)

5.3.4滤波器的特性及其测量 (13)

1. 实验内容及步骤 (13)

实验数据及分析： (14)

3 实验总结 (14)

5.3.1 频谱分析仪的使用

1 实验目的

1.了解频谱分析仪的工作原理，熟悉它的使用方法

2.了解微波信号发生器的使用方法

2 实验设备

1.频谱分析仪

2.微波信号发生器

3实验原理

频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，主要的功能是在频域里显示输入信号的频谱特性。输入信号经衰减器直接外加到混波器，可调变的本地振荡器经与CRT同步的扫描产生器产生随时间作线性变化的振荡频率，经混波器与输入信号混波降频后的中频信号（IF）再放大，滤波与检波传送到CRT的垂直方向板，因此在CRT的纵轴显示信号振幅与频率的对应关系。较低的RBW固然有助於不同频率信号的分辨与量测，低的RBW将滤除较高频率的信号成份，导致信号显示时产生失真，失真值与设定的RBW密切相关，较高的RBW 固然有助於宽频带信号的侦测，将增加杂讯底层值（Noise Floor），降低量测灵敏度，对于侦测低强度的信号易产生阻碍，因此适当的RBW宽度是正确使用频谱分析仪重要的概念。

4实验内容

单载波信号的频谱测量

(1) 实验操作步骤:

1.按照下图连接测试

2.设置微波信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号（900MHz、10dBm）

3.设置频谱分析仪的中心频率为微波信号发生器的输出频率，设置合适的扫描带宽，适当调整参考电平使频谱图显示在合适的位置。

4.用峰值搜索功能测量信号的频率和电平，测试数据记录到表4.1中

5.用差值光标功能测量信号和噪声的相对电平（信噪比），同时记录频谱分析仪的分辨率和带宽设置

(2) 实验数据记录

带载波信号的杂散测量

(1) 实验操作步骤

1.设置微波信号发生器输出制定频率和功率的正弦波（850MHz、-20dBm）

2.设置频谱分析仪的中心频率为微波信号发生器的输出频率，设置合适的扫描带宽，适当调整参考电平使频谱图显示在合适的位置。

3.用频谱分析仪测量输出信号的频率和电平，测试数据记录到表

4.2中

4.增加频谱分析仪的扫描带宽，如100MHz,用手动设置功能适当减小频谱分析仪的分辨率带宽，观察频谱图的变化，直到观测到杂散信号为止。

5．在频谱图中确定最大杂散信号，用差值光标功能测量信号和最大杂散信号的相对电平（杂散抑制度）

(2)实验数据记录

表4.2

杂散信号产生原因：过度激励分析仪的输入可能会导致杂散信号。

相位噪声测量

(1) 实验操作步骤

1. 设置微波信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号（850MHz、-10dBm）

2. 设置频谱分析仪的中心频率为微波信号发生器的输出频率，设置扫描带宽为50KHz，设

置合适的分辨率带宽和视频带宽，适当调整参考电平使频谱图显示在合适的位置

2.用峰值搜索功能测量信号的频率和电平，测试数据记录到表4.3中

3.用差值光标和噪声光标功能测量偏离信号10KHz的相位噪声，测试数据记录到表

4.3中

4.将扫描带宽设置为500KHz，设置合适的分辨率带宽和扫描带宽，利用同样的方法测量偏

离信号100KHz的相位噪声，测试数据记录到表4.3中

5.改变输出频率，重复以上测量，测试数据记录到表4.3中

(2)实验数据记录

幅频特性的测量

（1）实验操作步骤

1 设置微波信号发生器输出指定频率和功率大单载波信号（如850MHz／－20dBm）。

2 设置频谱分析仪的中心频率为微波信号发生器的输出频率，设置合适的扫描带宽（如100MHz），适当调整参考电平，使频谱图显示在合适的位置。

3 设置频谱分析仪的轨迹为最大值保持功能。

4 按照一定的步进（如0.1MHz），用手动旋钮（或自动扫频）在指定的频率范围内（如830MHz～870MHz）调整微波信号发生器的输出频率，观测频谱分析仪显示的幅频特性曲线。

5 用峰值搜索功能测量输出信号在指定频带内的最高电平，测试数据记录到表格中。

6 用差值光标功能测量输出信号在指定频带内的幅频特性，测试数据记录到表格中。

7 改变测试频率范围，重复以上测量，记录数据到表格中。

幅频特性的测量

5.实验心得

本次实验时对频谱分析仪的使用，由于频谱分析仪我们在之前的相关课程的实验已经使用过，堆频谱分析仪的使用已经较为熟练，因此本次实验做的较为轻松。实验过程中我们不仅更加熟练掌握了频谱分析仪的使用，还了解了关于频谱分析仪的特性，使得优化了我们的使用。为保证对信号进行精确，测量前应开机预热三十分钟。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。

5.3.2 衰减器的特性测量

1.实验目的

（1）熟练掌握频谱分析仪的使用

（2）了解衰减器对微波信号的衰减机理以及相关特性。

2.实验仪器

微波信号发生器、衰减器（10db），频谱分析仪

3.实验内容及数据处理

以下实验按照图1连接测试。

1.衰减器的测量

（1）设置微波信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号（如850MHz、-10dBm和-20dBm）。

（2）将输入输出电缆短接。用频谱分析仪测量衰减器的输入信号电平，测试数据记录到表格1中。

（3）接入被测衰减器。用频谱分析仪测量衰减器的输出信号电平，计算衰减器的衰减量以及与标称值得误差，测试数据记录到表格1中。

（4）改变微波信号发生器的输出频率，重复以上测量，测试数据记录到表格1中标称值（10dBm）

表1 衰减器的衰减量测量

分析：

因为我们本次实验并没有对应的衰减器，因此使用的衰减器是PIN衰减器，上面标明的衰减量为>=10dB,而实际上要求用的衰减器其衰减量为10dB，因此在计算标称误差的时候，是以标准衰减量10dB来计算的。相应的数据计算过程如下：

850MHz:

衰减量=-120.05-（-30.58）=10.53；标称误差=10.53-10=0.53；误差率5.3%

900MHz:

衰减量=-21.11-(-31.58)=1047 ；标称误差=10.47-10=0.47；误差率4.7%

950MHz:

衰减量=-22.26-(-32.50)=10.24 ；标称误差=10.24-10=0.24。误差率2.4%

可见：误差在允许的范围内可以被接受。

2.幅频特性测量

（1）设置微波信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号（如850MHz、-20dBm）。（2）将输入和输出电缆短接。用频谱分析仪测量并记录衰减器的输入信号电平。

（3）接入被测衰减器。设置频谱分析仪的中心频率为指定频率（如850MHZ），设置合适的扫描带宽（如100MHZ），适当调整参考电平使频谱图显示在合适的位置。

（4）设置频谱分析仪的轨迹为最大保持功能（Trace->Trace type Max hold）.

（5）按照一定的步进（如0.1MHZ），用手动旋钮在指定的频率范围内（如830~870MHZ），调整微波信号发生器的输出频率,在频谱分析仪上显示幅频特性曲线。

（6）根据频谱分析仪显示的幅频特性曲线，测量并计算衰减器在指定频带内的最小衰减和幅频特性，测试数据记录到表2中。

表2 衰减器的幅频特性测量

4. 实验总结

在本次实验里，我们主要是通过实验来了解衰减器的特性，实验多加了一个衰减器，主要还是通过频谱分析仪来看我们调出信号经过衰减器的数据特点。

实验时频谱仪的数值跳变幅度较大，速度也快，我们需要采取许多相应的措施来稳定频谱分析仪，如减小周围环境影响，更换噪声较小的连接线等等。

5.3.3 定向耦合器特性测量

1．耦合度测量

（1）按照下图连接测试系统：

（2）设置微波信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号；

（3）将输入和输出电缆短接，用频谱分析仪测量定向耦合器输入端口的输入电平信号，记录测试数据；

（4）接入被测定向耦合器，用频谱分析仪测量定向耦合器耦合端口的输出信号电平，计算定向耦合器的耦合度，记录数据；

（5）改变测试频率，重复以上操作。

分析：

设端口1输入功率为P1,端口3输入功率为P3 ，则耦合度L应该为L= P1/P3; 转换为dB 值即为 L(dB)=10lgL = 10lg P1 - 10lg P3。

根据推导出来的公式和测量数据，可以计算相应的耦合度为：

850MHz: 30.74-20.05=10.69 ； 900MHz: 31.42-21.11=10.31 ；

950MHz: 32.48-22.26=10.22 ；

2.插入损耗测量

（1）按照如图所示连接测试系统：

（2）设置微波信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号；

（3）将输入和输出电缆短接，用频谱分析仪测量定向耦合器输入端口的输入信号电平，记录测试数据；

（4）接入被测定向耦合器，用频谱分析仪测量定向耦合器输出端口的输出信号电平，计算定向耦合器额插入损耗和传输损耗，记录数据；

（5）改变测试频率，重复以上操作。

分析：设端口1输入功率为P 1,端口2输入功率为P 2 ，则插入损耗IL 应为： IL= -10lgP 2/P 1 = -10lg P 2 + 10lg P 1 。

则相应的插入损耗计算如下：

850MHz ：54.42-20.05=34.37 ; 900MHz ：55.28-21.11=34.17 ； 950MHz ：57.46-22.26=35.20 ； 传输损耗 TL 应该为 ：

TL = -10lgP 3/P

2= 10lg P 2-10lg P 3 。 则相应的传输损耗计算如下：

850MHz ：54.52-30.74=23.68 ; 900MHz ：55.28-31.42=20.96 ； 950MHz ：57.47-32.48=24.99 ；

3．定向耦合器的隔离度测量

（1）按照下图连接测试系统：

（2）设置微波信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号；

（3）将输入和输出电缆短接，用频谱分析仪测量并记录定向耦合端口的输入信号电平，记录测量数据；

（4）接入被测定向耦合器，用频谱分析仪测量定向耦合器输出端口的输出信号电平，计算端口隔离度，记录测量数据；

（5）改变测试频率，重复以上操作。

分析：隔离度的计算公式如下：

D=10lgP3/P2=10lgP3-10lgP2;

因此相应频率的隔离度的计算如下：

850MHz:37.43-20.05=17.38 ； 900MHz：38.40-21.11=17.29 ；

950MHz:37.61-22.26=15.35 ；

4.幅频特性测量

（1）设置微波信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号；

（2）将输入和输出电缆短接，用频谱分析仪测量并记录衰减器的输入信号电平；

（3）接入被测定向耦合器，设置频谱分析引的中心频率为指定频率，设置合适的扫描带宽，适当调整参考电平使频谱图显示在合适的位置；

（4）设置频谱分析仪的轨迹为最大值保持功能；

（5）按照一定的步进，用手动旋钮在指定的频率范围内调整微波信号发生器的输出频率，在频谱分析仪上显示出幅频特性曲线；

（6）根据频谱分析仪显示的幅频特性曲线，测量并计算衰减器在指定频带内的耦合

5.实验总结：

这次实验的项目比较多，要测量的数据也比较多，但是都比较简单，关键的就是要能够熟练的运用频谱分析仪，因为基本上所有的测量都要依靠频谱分析仪来进行测量。本次实验主要考验了我们对微波器件的理解，将理论向实践的转换。同时本次实验锻炼了我们对数据处理的能力，更加深入了解了衰减器的特性。

5.3.4滤波器的特性及其测量

1. 实验内容及步骤

传输特性的测量

按照图1所示连接测试系统

图1 滤波器的传输特性测量

设置微波信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号（如850MHz、-20dBm）.

将输入和输出电缆短接。用频谱分析仪测量衰减器的输入信号电平。

接入被测滤波器。设置频谱分析仪的中心频率为指定频率（如880MHz），设置合适的扫描带宽（如80MHz），适当调整参考电平使频谱图显示在合适的位置。

按照一定的步进（如1MHz），用手动旋钮在指定的频率范围内（如840~920MHz）调整微波信号发生器的输出频率，在频谱分析仪上观察扫描带宽是否合适，根据观测结果适当调整频谱分析仪的扫描线。

设置频谱分析仪的轨迹为最大值保持功能（Trace—Trace Type—Max Hold）。

按照一定的步进（如0.1MHz），用手动旋钮在指定的频率范围内（如830~870MHz）调整微波信号发生器的输出频率，在频谱分析仪上观察扫描带宽是否合适，根据观测结果适当调整频谱分析仪的扫描线。

根据频谱分析仪显示的幅频特性曲线，测量并计算滤波器的中心频率、3db带宽、插入损耗、带内波动。裙带带宽、带外抑制度等指标，测量数据记录在数据表格中。

将滤波器的输入和输出端口互换、重复上述测量。观察幅频特性曲线的变化并进行分析。

下图为带通滤波器的幅频特性曲线

图2 带通滤波器的幅频特性曲线

实验数据及分析：

3 实验总结

经过本次实验我们组更加熟悉了滤波器的特性，同时也能够更好的使用频谱分析仪，在理论知识得到巩固的同时增长了动手的能力，让我们受益匪浅。同时在实验中我们克服了很多困难，共同合作，相互帮助，让我们对微波器件有了更加深入的了解。其实本次实验对我们来说还是相对较为简单的，很快就将数据测出来了，但是做完实验还没有完，对实验内容和数据进行更深入的探讨才是真正了解了实验，因此每一次写实验报告都让我受益匪浅。