实验二微波频谱分析仪测量小信号实验 一、预习内容 1、了解电磁屏蔽的原理和用途： 2、了解微波频谱分析仪的原理及其特点： 3、了解微波信号源的工作原理。 二、实验目的 1、熟悉微波信号源的使用： 2、熟悉微波频谱分析仪的使用： 3、掌握微波频谱分析仪测量小信号的方法： 4、了解用屏蔽产生小信号的原理和方法。 三、实验原理 本实验是为完成实验三的电磁屏蔽效能实验，而做的准备实验，由于屏蔽体的屏蔽效能 会对电磁波产生很大的衰减作用，实验中需要能够准确测量微小信号的电平值。为此，必须 对微波频谱分析仪的工作原理和测量方法有所了解。 1、微波频谱分析仪原理 微波频谱分析仪是一种多用途的电子测量仪器，又可称为频域示波器、跟踪示波器、分 析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。微波频谱分析仪是主要用于分 析微波信号频谱结构的仪器，可以在频域上同时测量多个微波信号的频率和幅度，因此可进 行信号失真度、调制度、频率稳定度和频谱纯度等信号参数的测量，与微波信号源配合，还 可测量放大器增益和滤波器通带特性等。现代微波频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示 分析结果，能分析甚低频到毫米波段的无线电频段的电信号。频谱分析仪内部采用微处理器 和数字电路，具有存储和运算功能：配置了标准接口，容易与计算机和其它仪器一起构成自 动测试系统。 频谱分析仪按照信号处理方式的不同，一般分为实时频谱分析仪和扫描调谐频谱分析仪 两种类型。实时频谱分析仪可以在同一瞬间显示频域内各个信号的振幅，其基本工作原理是， 针对不同频率信号有相对应的滤波器与检波器，再经由同步的多工扫描器将信号传送到显示 设备上进行显示。其优点是能显示周期性信号的瞬间反应，但是价格昂贵且性能受限于频宽 范围、滤波器的数目和最大多工交换时间。最常用的频谱分析仪是扫描调谐频谱分析仪，其 基本工作原理类似于超外差式接收器，如图1所示，输入信号经衰减器直接外加到混频器
实验二 微波频谱分析仪测量小信号实验 一、预习内容 1、了解电磁屏蔽的原理和用途； 2、了解微波频谱分析仪的原理及其特点； 3、了解微波信号源的工作原理。 二、实验目的 1、熟悉微波信号源的使用； 2、熟悉微波频谱分析仪的使用； 3、掌握微波频谱分析仪测量小信号的方法； 4、了解用屏蔽产生小信号的原理和方法。 三、实验原理 本实验是为完成实验三的电磁屏蔽效能实验，而做的准备实验，由于屏蔽体的屏蔽效能 会对电磁波产生很大的衰减作用，实验中需要能够准确测量微小信号的电平值。为此，必须 对微波频谱分析仪的工作原理和测量方法有所了解。 1、微波频谱分析仪原理 微波频谱分析仪是一种多用途的电子测量仪器，又可称为频域示波器、跟踪示波器、分 析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。微波频谱分析仪是主要用于分 析微波信号频谱结构的仪器，可以在频域上同时测量多个微波信号的频率和幅度，因此可进 行信号失真度、调制度、频率稳定度和频谱纯度等信号参数的测量，与微波信号源配合，还 可测量放大器增益和滤波器通带特性等。现代微波频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示 分析结果，能分析甚低频到毫米波段的无线电频段的电信号。频谱分析仪内部采用微处理器 和数字电路，具有存储和运算功能；配置了标准接口，容易与计算机和其它仪器一起构成自 动测试系统。 频谱分析仪按照信号处理方式的不同，一般分为实时频谱分析仪和扫描调谐频谱分析仪 两种类型。实时频谱分析仪可以在同一瞬间显示频域内各个信号的振幅，其基本工作原理是， 针对不同频率信号有相对应的滤波器与检波器，再经由同步的多工扫描器将信号传送到显示 设备上进行显示。其优点是能显示周期性信号的瞬间反应，但是价格昂贵且性能受限于频宽 范围、滤波器的数目和最大多工交换时间。最常用的频谱分析仪是扫描调谐频谱分析仪，其 基本工作原理类似于超外差式接收器，如图 1 所示，输入信号经衰减器直接外加到混频器
可变本振与C℉T的水平扫描信号发生器同步，产生随时间线性变化的振荡频率，混频器与 输入信号混合降频后的中频信号，再经放大、滤波和检波传送到CRT的垂直方向板，在CT 上显示信号振幅与频率的对应关系。 信号处理 显示 电路 电路 信号输入 f无-f 公 混 放 滤 检 Y 示 减 波 波 波 器 器 器 器 器 本振 扫频信号发生器 图1频谱分析仪原理框图 2、影响频谱分析仪频率分辨率的因素 频谱分析仪的频率分辨率是最重要指标之一，反映了其区分临近频率分量的能力。很多 信号测试要求频谱仪具有较高的频率分辨率，只有当频谱分析仪的分辨能力足够高时，才会 在屏幕上正确反映信号的特性。频谱分析仪的频率分辨率与其内部的中频滤波器和本地振荡 器的性能有关。中频滤波器的类型、3B带宽、频率选择性和本地振荡器的本振残余调频和 本振相位噪声都会影响频谱分析仪的频率分辨率。 分辨率带宽(RBW是中频滤波器的3B带宽，反映了频谱分析仪分辨等幅信号的能力。 两个等幅信号之间频率差为中频滤波器的3B带宽时，合成响应曲线仍有两个峰值，中间 下沉大约3dB,认为它们是可分辨的，因此称中频滤波器的3dB带宽为频谱分析仪的分辨 率带宽(RBW)。频谱分析仪的最小分辨率带宽反映出频谱分析仪的档次高低，经济型的为 1kHz5MHz,多功能中档型的为30Hz5MHz,高档型的为1Hz5MHz。 mwtwwww RBW=10kHz RBW=lkHz 图2分辨率带宽对频谱的影响
可变本振与 CRT 的水平扫描信号发生器同步，产生随时间线性变化的振荡频率，混频器与 输入信号混合降频后的中频信号，再经放大、滤波和检波传送到 CRT 的垂直方向板，在 CRT 上显示信号振幅与频率的对应关系。 混 频 器 放 大 器 滤 波 器 检 波 器 示 波 器 本振 扫频信号发生器 信号处理 电路 显示 电路 fx fL fL - fx X Y 信号输入 衰 减 器 图 1 频谱分析仪原理框图 2、影响频谱分析仪频率分辨率的因素 频谱分析仪的频率分辨率是最重要指标之一，反映了其区分临近频率分量的能力。很多 信号测试要求频谱仪具有较高的频率分辨率，只有当频谱分析仪的分辨能力足够高时，才会 在屏幕上正确反映信号的特性。频谱分析仪的频率分辨率与其内部的中频滤波器和本地振荡 器的性能有关。中频滤波器的类型、3dB 带宽、频率选择性和本地振荡器的本振残余调频和 本振相位噪声都会影响频谱分析仪的频率分辨率。 分辨率带宽(RBW)是中频滤波器的 3dB 带宽，反映了频谱分析仪分辨等幅信号的能力。 两个等幅信号之间频率差为中频滤波器的 3dB 带宽时，合成响应曲线仍有两个峰值，中间 下沉大约 3dB，认为它们是可分辨的，因此称中频滤波器的 3dB 带宽为频谱分析仪的分辨 率带宽(RBW)。频谱分析仪的最小分辨率带宽反映出频谱分析仪的档次高低，经济型的为 1kHz~5MHz，多功能中档型的为 30Hz~5MHz，高档型的为 1Hz~5MHz。 RBW=10kHz RBW=1kHz 图 2 分辨率带宽对频谱的影响
如图2所示是不同分辨率带宽频谱的显示，可以看到分辨率带宽RBW=1OkHz时不能辨 别出载波形状，分辨率带宽RBW=1kHz时可以清楚地辨别出载波形状。可见，如果两信号 的间隔大于或等于所设置分辨率带宽BW,两个等幅信号就可以分辨出来，如果小于所选 用的RBW,这两个信号是无法分辨的。频谱分析仪的RBW越小，其频率分辨率越高。同 时，由于中频滤波器带宽减小，进入后级的噪声也相应减少，噪声水平可以降低，易于测量 幅度很小甚至接近噪声水平的信号。 中频滤波器的功能是分辨不同频率的信号，是中心频率固定的窄带滤波器，只有通过改 变本振的扫频信号频率才能达到选频目的。频谱分析仪混频后的频率如果落在中频滤波器通 带内，显示器就会显示该频率，如果混频后频率不等于中频，则被中频滤波器阻挡，不能传 递到后级。理想单载波信号在扫描调谐频谱仪测试显示的波形是滤波器的频响形状。中频滤 波器的形状通过其带宽和频率选择性得到定义，其3B带宽和矩形系数影响频谱仪的许多 关键指标，例如测量分辨率、测量灵敏度、测量速度以及测量精度等。 中频滤波器的频率选择性是中频滤波器的60dB带宽与3dB带宽之比，如图3所示。它 反映了频谱仪分辨不等幅信号的能力，对于幅度相差60B的2个信号，其间隔至少是60dB 带宽的一半，才可以分辨出2个信号，否则小信号可能被淹没在大信号的裙边中。用数字化 技术实现的窄带带通滤波器的频率选择性可达到5：1，模拟滤波器的频率选择性则可达到 15:1或11：1。图3为中频滤波器的频率选择性示意图。 3dB 3dB BW 60dB BW 图3中频滤波器的频率选择性 不同频率分辨率和频率选择性对分辨不等幅信号的影响也不同。如果RBW为3kHz滤 波器的频率选择性为15：1，于是滤波器下降60dB的带宽是45kHz,60dB的带宽一半是 22.5kHz,那么距离大信号22.5kHz以外-60dBc的信号可以检测。如果换成一个RBW为1 kHz频率选择性为15：1窄带滤波器，于是滤波器下降60dB的带宽是15kHz,60dB的带
如图 2 所示是不同分辨率带宽频谱的显示，可以看到分辨率带宽 RBW=10kHz 时不能辨 别出载波形状，分辨率带宽 RBW=1kHz 时可以清楚地辨别出载波形状。可见，如果两信号 的间隔大于或等于所设置分辨率带宽 RBW，两个等幅信号就可以分辨出来，如果小于所选 用的 RBW，这两个信号是无法分辨的。频谱分析仪的 RBW 越小，其频率分辨率越高。同 时，由于中频滤波器带宽减小，进入后级的噪声也相应减少，噪声水平可以降低，易于测量 幅度很小甚至接近噪声水平的信号。 中频滤波器的功能是分辨不同频率的信号，是中心频率固定的窄带滤波器，只有通过改 变本振的扫频信号频率才能达到选频目的。频谱分析仪混频后的频率如果落在中频滤波器通 带内，显示器就会显示该频率，如果混频后频率不等于中频，则被中频滤波器阻挡，不能传 递到后级。理想单载波信号在扫描调谐频谱仪测试显示的波形是滤波器的频响形状。中频滤 波器的形状通过其带宽和频率选择性得到定义，其 3dB 带宽和矩形系数影响频谱仪的许多 关键指标，例如测量分辨率、测量灵敏度、测量速度以及测量精度等。 中频滤波器的频率选择性是中频滤波器的 60dB 带宽与 3dB 带宽之比，如图 3 所示。它 反映了频谱仪分辨不等幅信号的能力，对于幅度相差 60dB 的 2 个信号，其间隔至少是 60dB 带宽的一半，才可以分辨出 2 个信号，否则小信号可能被淹没在大信号的裙边中。用数字化 技术实现的窄带带通滤波器的频率选择性可达到 5:1，模拟滤波器的频率选择性则可达到 15:1 或 11:1。图 3 为中频滤波器的频率选择性示意图。 3dB 3dB BW 60dB BW 图 3 中频滤波器的频率选择性 不同频率分辨率和频率选择性对分辨不等幅信号的影响也不同。如果 RBW 为 3 kHz 滤 波器的频率选择性为 15：1，于是滤波器下降 60 dB 的带宽是 45 kHz，60 dB 的带宽一半是 22.5 kHz，那么距离大信号 22.5 kHz 以外-60 dBc 的信号可以检测。如果换成一个 RBW 为 1 kHz 频率选择性为 15：1 窄带滤波器，于是滤波器下降 60 dB 的带宽是 15 kHz，60 dB 的带
宽一半是7.5kHz,那么距离大信号7.5kHz以外-60dBc的信号可以检测。 频谱分析仪的频率选择性越小，其对不等幅信号的分辨能力越强，但一台频谱分析仪的 频率选择性是固定不变的，而分辨率带宽是可变的，所以在测量微小信号时，可通过尽可能 将分辨率带宽打窄，减小平均显示噪声电平，达到综合的测量效果。 频谱仪的最小分辨带宽，在一定程度上是由本振的稳定性决定的，低成本的本振RBW 可达到1kHz,中等性能（稳频）本振RBW可达到1O0Hz,高性能（频率合成技术）本振RBW 可达到1Hz。由于频谱分析仪的本振信号频率不可能是绝对的稳定，总是有一定的频率抖动， 这种随机的频率变化称为相位噪声。相位噪声是由本振频率不稳定引起的，其值是本振频率 稳定度的函数，本振频率越稳定相位噪声越小，当频谱分析仪的RBW设置较宽时，相位噪 声信号将隐藏在滤波器的响应带宽曲线之下。因此，测量频谱分析仪的相位噪声一般在中频 滤波器BW设置为最窄的条件下测量。本振相位噪声主要影响不同幅度的频率分量之间是 否可分辨，要分辨两个频率接近信号，前提是相位噪声不能淹没小信号。相位噪声显示和分 辨率带宽RBW相关，降低分辨率带宽RBW,可降低相位噪声显示值。由于相位噪声的影 响，频率相近的信号，特别是幅度远小于另一信号的频率相近的信号将隐藏在大信号的响应 曲线之内，使其无法分辨，只有将BW设置足够小，降低相位噪声显示值，才能分辨出小 信号。 信号在频谱仪屏幕上显示的噪声边带来源于本振的频率不稳定性，这个噪声可能掩盖靠 近载波低电平信号。剩余调频和中频滤波器带宽等对非等幅信号的频率分辨也是有影响的， 但频谱分析仪的相位噪声是其所能测量非等幅信号频率分辨率的极限值。在实际测量中可以 通过调整分辨率带宽取得科学测试结果，两等幅信号的间隔大于或等于所选用分辨率滤波器 的宽度，两个等幅信号就可以分辨出来了，对于测量幅度不等而频率又比较靠近的信号，在 具体测试时除了考虑分辨率带宽RBW,还需考虑频率选择性，频率选择性越小，对不等幅 信号的分辨能力越强。 四、实验内容与步骤 实验的具体步骤如下： 1、按图4所示的电磁屏蔽实验测试系统框图，组装好实验系统，电磁屏蔽测试装置距 离仪器一定距离，安放于符合测量环境要求的空间。 2、将微波信号源和频谱分析仪开机，预热15~30分钟。 3、按照实验要求设置微波信号源工作频率和发射信号功率电平，开启信号源的射频发 射(RFON):在频谱分析仪上设置对应的中心频率，将频率宽度设置为1MHz,设置合适
宽一半是 7.5 kHz，那么距离大信号 7.5 kHz 以外-60 dBc 的信号可以检测。 频谱分析仪的频率选择性越小，其对不等幅信号的分辨能力越强，但一台频谱分析仪的 频率选择性是固定不变的，而分辨率带宽是可变的，所以在测量微小信号时，可通过尽可能 将分辨率带宽打窄，减小平均显示噪声电平，达到综合的测量效果。 频谱仪的最小分辨带宽，在一定程度上是由本振的稳定性决定的，低成本的本振 RBW 可达到 1 kHz，中等性能(稳频)本振 RBW 可达到 100 Hz，高性能(频率合成技术)本振 RBW 可达到 1Hz。由于频谱分析仪的本振信号频率不可能是绝对的稳定，总是有一定的频率抖动， 这种随机的频率变化称为相位噪声。相位噪声是由本振频率不稳定引起的，其值是本振频率 稳定度的函数，本振频率越稳定相位噪声越小，当频谱分析仪的 RBW 设置较宽时，相位噪 声信号将隐藏在滤波器的响应带宽曲线之下。因此，测量频谱分析仪的相位噪声一般在中频 滤波器 RBW 设置为最窄的条件下测量。本振相位噪声主要影响不同幅度的频率分量之间是 否可分辨，要分辨两个频率接近信号，前提是相位噪声不能淹没小信号。相位噪声显示和分 辨率带宽 RBW 相关，降低分辨率带宽 RBW，可降低相位噪声显示值。由于相位噪声的影 响，频率相近的信号，特别是幅度远小于另一信号的频率相近的信号将隐藏在大信号的响应 曲线之内，使其无法分辨，只有将 RBW 设置足够小，降低相位噪声显示值，才能分辨出小 信号。 信号在频谱仪屏幕上显示的噪声边带来源于本振的频率不稳定性，这个噪声可能掩盖靠 近载波低电平信号。剩余调频和中频滤波器带宽等对非等幅信号的频率分辨也是有影响的， 但频谱分析仪的相位噪声是其所能测量非等幅信号频率分辨率的极限值。在实际测量中可以 通过调整分辨率带宽取得科学测试结果，两等幅信号的间隔大于或等于所选用分辨率滤波器 的宽度，两个等幅信号就可以分辨出来了，对于测量幅度不等而频率又比较靠近的信号，在 具体测试时除了考虑分辨率带宽 RBW，还需考虑频率选择性，频率选择性越小，对不等幅 信号的分辨能力越强。 四、实验内容与步骤 实验的具体步骤如下： 1、按图 4 所示的电磁屏蔽实验测试系统框图，组装好实验系统，电磁屏蔽测试装置距 离仪器一定距离，安放于符合测量环境要求的空间。 2、将微波信号源和频谱分析仪开机，预热 15~30 分钟。 3、按照实验要求设置微波信号源工作频率和发射信号功率电平，开启信号源的射频发 射（RF ON）；在频谱分析仪上设置对应的中心频率，将频率宽度设置为 1MHz，设置合适
的幅度坐标，使频谱仪能合理显示信号。此时，将全屏蔽盖板取下，不安装在屏蔽盒上。使 用峰值跟踪功能(peak)指示信号顶部位置幅度，并使最大值在屏幕上居中。记录下此时的 信号幅度值和噪声幅度值。 4、将全屏蔽盖安装到屏蔽盒上，若信号淹没在噪声中，则逐步减小观察窗口频率宽度， 改变分辨率带宽参数，以及使用平均等功能，捕捉信号，记录信号幅度值和噪声幅度值。 微波信号源 发射天线 支撑杆 屏蔽盒 频谱仪 图4电磁屏藏实验测试系统框图 5、改变信号源工作频率，重复第3、4步，当信号电平无法读取时，可以适当增大信号 源发射功率，但必须在测试信号电平数据中相应扣减，将测试数据记录到表1中。 表1屏蔽效能测量数据 工作频率 1000 800 600 400 200 100 80 60 40 20 (MHz) 无 信号 屏 电平 蔽 噪声 盖 电平 可 信号 屏 电平 蔽 噪声 盖 电平 6、 根据测试数据，在坐标纸上绘出频率与信号电平关系曲线。 五、注意事项
的幅度坐标，使频谱仪能合理显示信号。此时，将全屏蔽盖板取下，不安装在屏蔽盒上。使 用峰值跟踪功能（peak）指示信号顶部位置幅度，并使最大值在屏幕上居中。记录下此时的 信号幅度值和噪声幅度值。 4、将全屏蔽盖安装到屏蔽盒上，若信号淹没在噪声中，则逐步减小观察窗口频率宽度， 改变分辨率带宽参数，以及使用平均等功能，捕捉信号，记录信号幅度值和噪声幅度值。 图 4 电磁屏蔽实验测试系统框图 5、改变信号源工作频率，重复第 3、4 步，当信号电平无法读取时，可以适当增大信号 源发射功率，但必须在测试信号电平数据中相应扣减，将测试数据记录到表 1 中。 表 1 屏蔽效能测量数据 工作频率 （MHz） 1000 800 600 400 200 100 80 60 40 20 无 屏 蔽 盖 信号 电平 噪声 电平 加 屏 蔽 盖 信号 电平 噪声 电平 6、根据测试数据，在坐标纸上绘出频率与信号电平关系曲线。 五、注意事项
1、用高频电缆接头连接电磁屏蔽装置、微波信号源和频谱分析仪等实验设备时，应沿 直线对准，先轻轻旋转接头，感觉平顺旋入后，略用力旋紧。不可在有阻力情况下用力旋转。 2、实验用螺丝刀、屏蔽盖板、高频接头等部件应小心轻放，避免滚动跌落，防止高频 部件摔坏变形，拧动高频接头前用手扶住仪器或实验装置，以免设备滑落，或发生碰撞。 3、操作微波信号源和频谱分析仪时，应轻按轻旋，操作速度应与仪器反应时间配合适 当或略慢，不可连续快速触碰按键。 4、测试时，各小组保持一定的距离，并采用频率不同的交错布局，尽量避免人员走动， 实验平台应与仪器和操作人员有一定距离，以免影响测量准确性。 5、用螺丝刀安装和拆卸屏蔽盖板时，使用力量应适度和保持平稳，以免破坏铝制螺纹， 影响屏蔽盒的屏蔽效能。 六、实验报告要求 1、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告： 2、完成数据整理和图表绘制： 3、对实验中的现象分析讨论
1、用高频电缆接头连接电磁屏蔽装置、微波信号源和频谱分析仪等实验设备时，应沿 直线对准，先轻轻旋转接头，感觉平顺旋入后，略用力旋紧。不可在有阻力情况下用力旋转。 2、实验用螺丝刀、屏蔽盖板、高频接头等部件应小心轻放，避免滚动跌落，防止高频 部件摔坏变形，拧动高频接头前用手扶住仪器或实验装置，以免设备滑落，或发生碰撞。 3、操作微波信号源和频谱分析仪时，应轻按轻旋，操作速度应与仪器反应时间配合适 当或略慢，不可连续快速触碰按键。 4、测试时，各小组保持一定的距离，并采用频率不同的交错布局，尽量避免人员走动， 实验平台应与仪器和操作人员有一定距离，以免影响测量准确性。 5、用螺丝刀安装和拆卸屏蔽盖板时，使用力量应适度和保持平稳，以免破坏铝制螺纹， 影响屏蔽盒的屏蔽效能。 六、实验报告要求 1、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告； 2、完成数据整理和图表绘制； 3、对实验中的现象分析讨论