北邮电磁场与电磁波实验-频谱分析仪的使用.docx

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21 实验目的22 实验设备23实验原理34实验内容35.实验心得75.3.2 衰减器的特性测量71.实验目的72.实验仪器73.实验内容及数据处理74. 实验总结95.3.3 定向耦合器特性测量101耦合度测量102.插入损耗测量103定向耦合器的隔离度测量114.幅频特性测量125.实验总结：125.3.4滤波器的特性及其测量121. 实验内容及步骤12实验数据及分析：143 实验总结145.3.1 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.按照下图连接测试微波信号发生器频谱分析仪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 表4.1频率设置（MHz）850MHz900MHz950MHz电平设置（dBm）-10dBm-15dBm-20dBm实测频率（MHz）848.498895.232950.055实测电平（dBm）-10.13-14.12-22.26信噪比（dB/RBW）-19.08-14.50-10.21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信号频率（MHz）信号电平（dBm）杂散抑制度（dB）850-10.1320.56900-15.9213.98950-22.266.11(3) 实验数据分析杂散信号产生原因：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 表4.3 信号频率（MHz）信号电平（dBm）相位噪声（dB/Hz）偏离10KHz偏离100KHz850-10.13-93.78-37.70900-15.92-39.02-38.72950-22.26-42.56-40.95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850MHz20dBm）。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830MHz870MHz）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。幅频特性的测量频率范围MHz最高点频dBm幅频特性（dB带宽）8502020.971.3/40=0.032590020-20.881.1/40=0.027595020-23.362.62/40=0.06555.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）测试频率（MHz）输入信号电平（dBm）输出信号电平（dBm）衰减量（dBm）标称误差（dB）850-20.05 -30.58 10.530.53900 -21.11 -31.58 10.470.47950-22.26 -32.50 9.240.24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830870MHZ），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。频率范围（MHz）最小衰减量幅频特性（dBpp/带宽）830870-50.630.38/40=0.095880920-52.650.34/40=0.0085930970-54.400.31/40=0.0075 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。测试频率（MHz)850900950端口1输入功率（dBm）-20.05-21.11-22.26端口3输入功率（dBm）-30.74-31.42-32.48耦合度(dB)10.6910.3110.22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。耦合度（dB）/耦合损耗（dB）测试频率（MHz）850900950端口1输入功率（dBm）-20.05-21.11-22.26端口2输入功率（dBm）-54.42-55.28-57.47插入损耗（dB）34.3734.1735.20传输损耗（dB）23.6820.9624.99分析：设端口1输入功率为P1,端口2输入功率为P2 ，则插入损耗IL应为： IL= -10lgP2/P1 = -10lg P2 + 10lg P1 。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 = -10lgP3/P2= 10lg P2-10lg P3 。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。测试频率(MHz)850900950耦合端口3输入功率（dBm）-20.05-21.11-22.26输入端口2输出功率(dBm)-37.43-38.40-37.612、3端口隔离度(dB)17.3817.2915.35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度的最小值和幅频特性，记录测量数据。频率范围（MHz）输入功率（dBm）最高功率（dBm）耦合度最小值（dBm）幅频特性（dBp-p/带宽）85020-20.05-33.73-53.780.69/40=0.0172590020-21.11-32.80-53.910.57/40=0.0142595020-22.26-33.07-55.330.34/40=0.00855.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所示连接测试系统滤波器频谱分析仪微波信号发生器图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