频谱分析仪检定的测量不确定度分析
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第33卷第6期中国测试技术2007年11月CHINAMEASUREMENTTECHNOLOGYVd.33No.6Nov.2007频谱分析仪检定的测量不确定度分析张海林(北京航天飞行控制中心,北京100094)摘要:在频谱分析仪硷定过程中,对其测量结果进行不确定度分析是其中必不可少的一项工作。
由于频谱分析仪橙定项目多,考虑到额渚分析仪主要表征的是频率参量和幅度参量.所以选取额率读数测量和输入衰减嚣测量进行测量不确定度评定。
并以检定HP8563E频谱分析仪为例,分析了影响其测量不确定度的几个因素,同时针对具体的数据进行了详细的分析,能够对从事额谱分析仪检定工作的计量人员提供帮助。
关键词:频谱分析仪;检定;不确定度;频率读数;输人衰减器中国分类号:TM935.21.TM930.115文献标识码:A文章编号:1672-498412007)06_0083_03MeasurementuncertaintyanalysisonverificationofspectrumanalyzerZHANGHal-Iill(BeijingAerospaceCOntrolCentre,Beqing100094.China)Alzstract:Itisimportantjobtome∞themeasurementuncertaintyduringVerilicadonofthespectrumanalyzer.Astheremanyve曲cafiol2jterns,theau£h茁船8e明d£bemeasurementuncertainty0fthefi赢luencyreadoutandinputattenuatorswitchingduringtheverificationofthespectrumanalyzer.Totakethe-,e,rificationofHP8563Eanexample.theauthoranalyzedfactorsthatinfluencethemeasurementuncertaintyand曲8IvzedthedataindetⅡiLItcanprovidehelpforverificationofthespectrumanalyzer.Keywords:Spectrumlmalyzer;Verification;Uncertainty;Frequencyreadotlt;Inputattenuatorswjtchilg1引言频谱分析仪是一种带有显示装置的超外差接收设备,由预选器、扫频本振、混频、中放、滤波、检波、放大、显示等部分组成,具有灵敏度高、频带宽、动态范围大等特点,可方便地获得时域测量中不易得到的独特信息.如频谱纯度、信号失真、寄生、交调、噪声边带等各种参数,可广泛应用于微波通信、雷达、导航、电子对抗、卫星地面站、空间技术、频率管理、信号监测、EMI诊断、EMC测量等方面,是科研、生.产、测试、试验、计量等部门的必备仪器。
随着频谱分析仪用户的增多,对频谱分析仪开展检定也成为计量部门的一项重要工作。
2频谱分析仪检定频谱分析仪检定装置主要由信号发生器、功率计、功率探头、频率计、衰减器、低通滤波器等仪器组成。
不同型号频谱分析仪的检定项目和使用的标准设置可能会有所差错,但其检定原理都是由信号源产生一个所需信号,这个信号的频率由频率计(如果牧稿日期:2007--03—12;收到修改稿日期:2007-05—17作者简介:张海林(1977一),男.工程师,主要从事无线电计量及计量管理工作。
信号源频率精度足够高,可直接使用信号源的频率)定标,幅度由功率计及标准衰减器定标,这个信号被作为标准送人频谱分析仪,同时被检频谱分析仪测量这个信号,得到测量结果。
但是很多因素(包括随机影响和系统影响)会影响到测量结果,由测量所得到的只能是被测量的近似值或估计值,正确评价测量结果是测试或校准实验室的重要任务。
因此我们在对频谱分析仪进行检定后,除出具检定结果外,必须给出其测量不确定度。
由于频谱分析仪主要表征的是频率参量和幅度参量,所以我们在此选择频率读数测量(频率参量)及输人衰减器测量(幅度参量)做为实例对其进行不确定度分析。
3频率读数测量的不确定度评定3.1测置方法这里我们选择的标准信号源是HP83630B,被检频谱分析仪是HP8563E。
将标准信号源连接至频谱分析仪,信号源的频率值为标准值,频谱分析仪的读数值为测量值。
3.2测量不确定度的评定(以频谱分析仪中心频率9GHz.扫频宽度10MHz为例】 万方数据84中国测试技术2007年11月f呻83630B扫额源L_—一被拉频谱分析仪J竺!坚ll竺!J图1频率读数测量框图3.2.1被测设备引入的不确定度评定(1)被测频谱分析仪的频率计数器误差引入的不确定度妇根据HP8563E说明书指标,频率计数器准确度=+(Marker频率×频率参考准确度+2HzxN+ILSD)=±1.12xlO-6.按均匀分布取I=、/丁。
:且呈兰坚生:6.47×10_7x/3(2)Marker计数器的频率分辨力引入的不确定度址根据测量数据可知,Marker计数器的频率分辨力在扫频宽度10MHz时为10kHz,取其相对值,即{譬挚=1.11×l矿,区问半宽度应为分辨力的二分之一,按均匀分布取&=、/fⅡ萨笪!丛坚:3.20×104、/3(3)频谱分析仪读数变化引入的不确定度“被测频谱分析仪读数的变化由其测量电路及计数电路引起,当信号源给出一个标准的频率,被测频谱分析仪读数的变化由重复性确定。
当频率为9GHz,扫频宽度为10MHz时。
这里我们取六次测量值的算术平均值作为测量结果,故以六次测量结果的平均值的实验标准偏差s(i)表征A类标准不确定度:唰璃㈨怖薛衰1频率读数六次测量数据(SPAN=10MHz.年=9GHz)¨≈(i)=3.33x1043.2.2标准设备引入的不确定度评定(1)信号源时基不准引入的不确定度岫根据HP83630B说明书指标,HP83630B信号源时基的准确度优于9.o×lcr9,按均匀分布取^=、/丁,所以:“庐旦旦丛生:5.2×109V3-(2)信号源受环境影响造成频率不准引入的不确定度“。
HP83630B说明书给出,温度变化引入的误差极限为lxl0-m/。
C,按均匀分布取t=、/丁,所以:。
F三理兰:5.8。
10-t,x/3(3)信号源受电源电压变化影响引入的不确定度MmHP83630B说明书给出,电源电压变化10%时,引起频率变化的误差极限为±5x10。
10,按均匀分布取I=、/丁.所以:。
舻羔兰坚兰:2.9x10"”X/33.2.3合成标准不确定度各不确定度分量独立不相关,则频率为9GHz,扫频宽度为10MHz时的合成标准不确定度为:uc=U石ii砭ii碡了ii:3.41x1063.2.4扩展不确定度频率为9GHz,扫频宽度为10MHz时的扩展不确定度:U=ku,=6.82x10。
6(k=2)3.2.5测量结果报告频率为9GHz,扫频宽度为10MHz时,测量结果为:压9.00002GHz,/./=6.8x10。
6,k=24输入衰减器测量的不确定度评定4.1测量方法这里我们选用的信号源是HP83630B。
被检频谱分析仪是HP8563E,两个HP8493C作为隔离衰减器以减小失配误差,标准衰减器选用的是HP84904K‘(1dB)和HP84906K(10dB)步进衰减器。
由信号源产生一个幅度稳定的信号,这个信号的幅度的增量由标准衰减器定标,作为标准值送人频谱分析仪,被检频普分析仪测量这个信号,得到测量结果。
4.2测量不确定度的评定(以频率设置100MHz.频谱分析仪输入衰减值40dB为例】4.2.1被测设备引人的不确定度评定(1)被测频谱分析仪参考电平的改变引入的不确定度蝴图2输人衰减器测量框图 万方数据第33卷第6期张海林:频谱分析仪检定的测量不确定度分析根据本台频谱分析仪的实际检定结果,衰减器设置为40dB时,参考电平的误差为0.35dB,按均匀分布取I=、/丁岫:旦萼堡:0.202dB、/3(2)被测频谱分析仪输入衰减转换引人的不确定度岫根据HP8563E说明书,可知输入衰减转换引入的不确定度指标,按均匀分布取^=、/丁峪旦二2婴:0.133dB、/3(3)MARKERDELTA测量电平相对值时电平分辨力引入的不确定度岫根据指标,频谱分析仪在垂直显示刻度为LOGIdB/DIV时.MARKER电平分辨力为4-(1/60)dB,按均匀分布取扫、/歹岫:—堕曼:=0.01dB60xx/3(4)失配引入的标准不确定度岫标准衰减器和被测频谱分析仪相互连接不可能完全匹配,当隔离衰减器输出端反射系数1,il=0.048,被测频谱分析仪输入端反射系数lnI=o.048时,失配引入的误差为:AA=l几||nl--0.23%服从反正弦分布,所以^=、/f,因此失配引入的不确定度分量:u萨O.23%/、/丁=O.16%=0.007dB(5)频谱分析仪读数的变化引人的不确定度瑚被测频谱分析仪的射频前置电路和中频放大电路的不稳定引起的变化,由重复性确定,当频谱分析仪的输入衰减器设置为40dB时。
这里我们取六次测量值的算术平均值作为测量结果,故以六次测量结果的平均值的实验标准偏差s(i)表征A类标准不确定度:№=5(i)=s(*)八/i=‰≈(i)=0.10dB裹2输入寰减器六次测量数据【序IOOMHz.A--40dB4.2.2标准设备引入的不确定度评定标准衰减器测量引入的不确定度u。
当户100MHz时,由上级检定证书给出的标准衰减器HP84906K的扩展不确定度为:0.008/10dB+0.01dBk=2则:u∞---O.004/IOdB+0.005dB=0.021dB4.2.3合成标准不确定度各不确定度分量独立不相关,则合成标准不确定度为频谱分析仪输入衰减器设置为40dB:uF、/瓦了瓦了瓦了巧ii=o.26dB4.2.4扩展不确定度频谱分析仪输入衰减器设置为40dB时:U=k碓--O.52dB(k=2)4.2.5测量结果报告频谱分析仪输入衰减器设置为40dB时,测量结果为:万声39.66dB,U=O.52dB,k=2。
5结束语本文介绍了频谱分析仪检定过程中具有代表性的频率读数及输入衰减器的测量不确定度分析方法。
如果能掌握以上两种测量不确定度分析方法,则以此类推,可较容易地对其它频谱分析仪检定项目进行不确定度分析。
在频谱分析仪检定过程中,由于测量不确定度评定需考虑的因素很多,分析过程较为繁琐,相信这篇文章会给部分无线电计量检定人员带来帮助。