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微波信号谐波失真的准确测量与误差修正

2024-08-23 94 上传者：管理员

摘要：本文针对选用不同频谱分析仪测量同一未知信号谐波失真时，测量结果不一致的问题，以信号发生器二次谐波测试为例，介绍测试方法、误差修正原理，利用实验验证频谱分析仪（谐波抑制度和频率响应）和测试链路对谐波失真测量结果的影响，通过误差修正，实现提高测量信号谐波失真测量准确度、降低测量不确定度的目的。

关键词：
微波信号
误差修正
谐波失真
频率响应
频谱分析仪
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1、概述

如今微波是无线电通信的主流频段，产生多种类似数字通信、雷达测速、数字接收机等应用，这也对信号的频谱纯度提出更高的要求[1]。频谱纯度反映的是有用信号频谱受污染的程度，频谱纯度越好，信号接收端对有用信号提取的精度越高，反之有用信号可能被噪声淹没。为此，准确测量信号的频谱纯度，减少噪声对有用信号的干扰很有必要。频谱纯度的主要测量参数是谐波和杂散[2]，如图1所示。

图1 信号频谱纯度分析

在日常微波信号测试中，由于测试设备的生产厂家、仪表型号、测试链路不同，谐波抑制度和频率响应各不相同，常常得出不同的谐波或杂散测试结果。因此，需要对测试过程进行误差分析，并进行测量结果补偿，从而减少测试设备对信号谐波或杂散测量结果的影响。

2、测量方法

要想精确地测量微波信号的频谱纯度，需要对被测信号的频域进行分析[3]。最常用的频域分析方法为使用频谱分析仪直接测量，如图2所示。

图2 信号频谱纯度测试

以测量未知信号的二次谐波为例，在进行谐波测试前，首先需要选用合适的频谱分析仪。分析5种不同频谱分析仪的二次谐波测量能力，并与信号发生器E8257D的二次谐波失真指标进行对比。通过查询上述仪表的技术手册可知，其二次谐波抑制度和信号发生器的二次谐波失真之间的关系，如表1所示。

表1 频谱分析仪的二次谐波抑制度和信号发生器的二次谐波失真之间的关系

在工程应用中，仪器厂家的技术指标只能为仪器的性能提供参考，频谱分析仪实际的二次谐波测试能力需要通过测试获得，下面进行实验验证。

3、实验验证

3.1频谱分析仪的谐波抑制度对测量结果的影响

在信号发生器输出端接上相应频段的低通滤波器，消除信号发生器输出信号谐波，通过测试电缆与不同适配器组合，使其与被测频谱分析仪输入接口匹配，如图3、图4所示。改变信号发生器输出信号频率，更换相应频段的低通滤波器，完成5种频谱分析仪的二次谐波测试，记录测试结果如表2所示。

图3 频谱分析仪的二次谐波测试

图4 频谱分析仪谐波测试所用适配器和滤波器

表2 频谱分析仪的二次谐波测试值（d Bc)

从表2可知，对于测试所用的5种频谱分析仪，E4447A与FSP30的谐波抑制度最佳。因此，选用频谱分析仪测量未知信号谐波失真时，推荐优先选用E4447A与FSP30。

若在信号谐波测试过程中，无合适的滤波器或高纯度的信号源来进行频谱分析仪的谐波抑制度测试时，可以用改变频谱分析仪的输入衰减器，观察两组谐波测量值变化的方法来判断谐波测试结果是否受频谱分析仪的影响[4]。

利用上述原理进行比对测试，结果如表3所示。根据表中数据，可绘制出对比曲线，如图5所示。

表3 信号发生器E8257D二次谐波测试值（Hf/d Bc)

图5 信号发生器E8257D二次谐波测试结果比对

从图5中可以看出，E4447A和FSP30改变输入衰减器前后，测量值变化<2d B，与测量重复性接近，其余频谱仪输入衰减变化前后测量值变化较大。

综合分析上述测试结果可知，使用频谱分析仪测试信号二次谐波时，若频谱分析仪的二次谐波抑制度大于或与被测信号的二次谐波接近时，其测试结果将受频谱分析仪的内部谐波影响，使测量值发生偏移。然而，随着信号频率的增加，13GHz以上E4447A和FSP30的测量结果差距较大，该变化是由频谱分析仪的频率响应引起的，下面进行实验验证。

3.2频谱分析仪的频率响应对测量结果的影响

对频谱分析仪E4447A、FSP30（含测试电缆）的频率响应进行测试，如图6所示。

图6 频谱分析仪（含测试电缆）频率响应测试

改变输出信号载波频率，读取频谱分析仪相应频率点的功率测量值P1[5]；断开测试电缆与信号发生器的连接，将功率探头与信号发生器输出端相连，重复上述步骤，读取功率计相应频率点的功率测量值P0。根据上述功率测试结果，计算频谱分析仪（含测试电缆）的频率响应为Rf=P1-P0，计算出二次谐波修正值Δ=R2f-Rf，将实测的二次谐波Hf测量值（10d B输入衰减器）减去二次谐波修正值，获得最终修正后二次谐波测量结果H′f=Hf-Δ。记录测试结果如表4、表5所示。

表4 频谱分析仪（含测试电缆和适配器）频率响应（Rf/d B)

表5 修正后信号发生器E8257D二次谐波测试值（H′f/d Bc)

从表中可以看出，通过修正频谱分析仪E4447A与FSP30的频率响应，E4447A与FSP30测得二次谐波结果几乎一致。其中，FSP30频谱分析仪修正前后，二次谐波测量值变化较小。但是随着信号的频率的进一步升高，频谱分析仪内部频率响应和测试电缆插入损耗引入的频率响应将逐渐增加。此时，对测试链路频率响应的修正就显得格外重要。

3.3高频下测试链路的插入损耗对测量结果的影响

以4051N进行3Hz～110GHz信号测试为例，利用NRX/NRP110T功率探头配套1mm同轴测试电缆，对信号发生器1466P-V进行测试，如图7所示。

图7 测量高频信号时频谱分析仪和测试电缆频率响应测试

按照同图6过程完成P1和P0的测试；再将功率探头与测试电缆输出端相连，测试电缆的输入端与信号发生器相连，读取功率计相应频率点的功率测量值P2。

根据上述功率测试结果，计算频谱分析仪的频率响应为Rf=P1-P2，计算频谱分析仪补偿值Δ=R2f-Rf，计算测试电缆的插入损耗为R′f=P2-P0，计算测试电缆补偿值Δ′=R′2f-R′f，计算二次谐波修正值Δ″=Δ′+Δ，将实测的二次谐波Hf测量值减去二次谐波修正值，获得最终修正后二次谐波测量结果H′f=Hf-Δ″，记录测试结果如表6所示。

表6 高频信号二次谐波失真测试和修正结果

从表中可以看出，随着信号频率的升高，测试电缆的插入损耗在不断增加，且逐渐成为影响二次谐波修正值的主要因素。此时想要准确测量高频信号谐波，需要对电缆插入损耗变化引入的误差进行修正。

4、修正前后信号二次谐波测量不确定度评定

以频谱分析仪4051N配套1mm同轴测试电缆测量信号二次谐波为例，分析测量不确定度评定过程，如下所示：

(1）频谱分析仪频率响应引入的不确定度

若不对频率响应进行修正，采用B类方法评定，频率响应最大值为±0.7d B～±4.0d B，则区间半宽度a1=1.5d B～4.0d B；两次测试值不相关，，按均匀分布，则。

若对频率响应进行补偿，采用B类方法评定，根据频谱分析仪（含测试电缆）频率响应测试过程，功率计测量功率不准的不准确度u′1=(0.24～0.33)d B；测量重复性，u′2=0.1d B；两次测试值不相关，则

(2）频谱分析仪显示刻度保真度引入的不确定度

采用B类方法评定，区间半宽度a2=0.20d B，两次测试值不相关，刻度保真度引入的测量不确定度为，按均匀分布，则。

(3）频谱分析仪本底噪声引入的不确定度分量

采用B类方法评定，区间半宽度a3=0.20d B，两次测试值不相关，按均匀分布，则

(4）失配引入的不确定度

采用B类方法评定，失配引入的测量不确定度最大值为a4=±8.69|ΓG||ΓL|=±0.39d B，两次测试值不相关，按反正弦分布，则。

(5）测量重复性引入的不确定度

采用A类方法评定，信号发生器输出信号给频谱分析仪的二次谐波频点测量，连续测量6次，取测得重复性最大u5=0.297d B。

综上所述，修正前信号二次谐波合成不确定度为：

频率范围5GHz～110GHz,则频谱

纯度扩展不确定度为U=(2.6～6.7)d B(k=2)。

修正后信号二次谐波合成不确定度为：

频率范围5GHz～110GHz,则频谱纯度扩展不确定度为U补=(1.3～1.5)d B(k=2)。

对比修正前后，同一频谱分析仪测量信号发生器输出信号二次谐波，修正后的不确定度明显降低，且随着信号频率的增加，不确定度优化越发明显。

5、结论

本文详细介绍微波信号的二次谐波测试的过程，分析其误差补偿和不确定度分析方法，并得出以下结论：提高信号频谱纯度的测量结果的准确度，降低测量不确定度，需要选用合适的频谱分析仪，保证其谐波抑制度低于被测信号谐波失真10d B以上，并将频谱分析仪及测试电缆的频率响应补偿至最终测试结果中。希望能对无线电测试和技术研究人员分析信号频谱纯度时，修正测量结果以及不确定度分析有一定借鉴作用。

参考文献:

[1]频谱分析基础[Z].安捷伦科技有限公司. 2006

[2]梁友焕.亚与太赫兹信号的频谱分析[J].太赫兹科学与电子信息学报,2013,11:70-72

[3]周娜.信号发生器检定装置不确定度评定[J].电子测试,2009,36:92-94

[4]詹志强.频谱分析仪技术及测试应用指南[M].北京:中国质检出版社,2016. 115-116

[5] JJF 1396-2013频谱分析仪校准规范[S].北京:中国质检出版社,2013

文章来源:金成,楼红英,杨忠.微波信号谐波失真的准确测量与误差修正[J].仪器仪表标准化与计量,2024,(04):27-30.