通标标准技术服务(上海)有限公司 上海 松江区 201612
摘要：按照JJF1396-2013《频谱分析仪校准规范》的内容，频谱仪处于正常的工作状态，采用标准信号源通过低通滤波器接收到频谱仪的输入端。信号源的输入信号频率为f0，被测频谱仪测量的频率分别为f0、2f0的信号源输出电平为L1和L2，被测频谱仪的二次谐波失真计算为SHD=L2-L1。在具体测量的时候，将L1设置为参考电平则读取数据X，X=L2-L1。本文针对频谱仪测量电平时候的不确定度分析方法进行分析，考虑到各种标准不确定度的分量，给出相应的计算公式和计算方法、完整评估过程、不确定度的相关数据等。
关键词：频谱分析仪；测量结果；不确定度；评估方法
频谱分析仪作为分析信号领域特点的仪器，可以将频域输入信号的频谱特点，通过各个频域对信号失真、调制度、频谱纯度以及频率稳定性等参数进行测量，频谱分析仪的校准参数有很多，归纳起来的基本量为：频率和幅度；本报告选择绝对幅度以及频率技术等。计量标准见表1。采用直接测量法，将频谱分析仪MS2668C作为对象，由于测量环境符合校准规范要求，由环境条件引入的不确定度分量可以忽略，不确定度的各分量相互没有关系，合成不确定度采用方和根方法来进行合成处理。
表1 计量标准表[1]
名称 | 型号 | 测量不确定度或标准等级 |
功率计 | N1911A | 准确度为±0.8% |
功率敏感器 | N1921A | 不确定度为2～3% |
计数器 | 53181A | 时基老化率为5×10-10 |
信号发生器 | SMR40 | 时基老化率为1×10-7 |
一、不确定度模型和误差来源的分析
（一）校准系统分析
构成频谱分析仪校准装置的标准以及配套设施包括：AgilentE8267D矢量信号源、AgilentE4438C矢量信号源、Agilent33250任意波产生器、AgilentN9912A功率计、AgilentE9304A功率探头；AgilentN5242A矢量网格分析仪以及两个开关和调整组合可以完成频率范围在10～26.5GHz频谱分析仪的监测。监测数据包括校准信号电平、扫频宽度、分辨力带宽、频率数据。
（二）校准方法
连接信号源、被测频率分析仪以及可变衰减器。信号源频率设置为300MHz，输出功率为13dBm。频谱分析仪中心频率设置为300MHz、垂直显示刻度为10dB/p，span为10kHz，分辨贷款为100Hz[2]。
信号源发射信号，调整信号的输出功率让频谱仪能够读取信号峰功率为0dBm并且记录，按照被测频谱分析仪的垂直显示刻度单位的数据，增加标准步进衰减器衰减量，读取被测频率分析仪信号并且记录。将被测频率分析仪的幅度数据减去标准步进衰减器衰减量获得被测频谱仪的垂直刻度的误差。
（三）不确定度测量模型
被测频谱分析仪的指示值为Mx，标准步进衰减器的衰减量为Ms，被测频谱仪的垂直刻度显示误差的计算公式为：△M=Mx-Ms。
（四）误差来源的分析
在校准项目中，对测量结果的不确定度做出贡献的误差来源于以下几点：第一，测量重复性引入误差；第二，标准步进衰减器引入误差；第三，信号源与标准步进衰减器、标准步进衰减器与被测频谱分析仪不匹配引入的误差；第四，开关组合稳定性造成的误差；被测频谱分析仪的Marker幅度不准引入形成的误差[3]。
二、不确定度评定方法
（一）A类标准不确定度的评定
例如通过测量重复性引入的A类不确定度为uA，根据信号源以及频谱仪设置的参数，测量结果见表2。
表2 A类标准不确定度评定
离参考电平格数 | 测量次数 | s（x） | |||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | ||
0 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0 |
1 | -10.00 | -10.00 | -10.00 | -10.00 | -10.00 | -10.00 | -10.00 | -10.00 | -10.00 | -10.00 | 0 |
2 | -20.00 | -20.00 | -20.00 | -20.00 | -20.00 | -20.00 | -20.00 | -20.00 | -20.00 | -20.00 | 0 |
3 | -30.00 | -30.00 | -30.00 | -30.00 | -30.00 | -30.00 | -30.00 | -30.00 | -30.00 | -30.00 | 0 |
4 | -40.00 | -40.00 | -40.00 | -40.00 | -40.00 | -40.00 | -40.00 | -40.00 | -40.00 | -40.00 | 0 |
5 | -50.00 | -50.00 | -49.83 | -50.00 | -50.00 | -49.83 | -50.00 | -49.83 | -50.00 | -50.00 | 0.082 |
6 | -60.17 | -59.83 | -59.83 | -60.00 | -60.00 | -60.00 | -59.83 | -60.00 | -59.83 | -60.00 | 0.115 |
7 | -70.00 | -69.83 | -70.17 | -70.00 | -70.33 | -70.17 | -69.83 | -70.17 | -69.83 | -70.17 | 0.178 |
8 | -80.5 | -80.25 | -80.0 | -80.33 | -80.15 | -80.3 | -80.3 | -80.17 | -80.2 | -80.5 | 0.186 |
9 | -90.45 | -90.5 | -90.25 | -90.4 | -90.0 | -90.4 | -90.5 | -90.0 | -90.2 | -90.6 | 0.198 |
将单次的测量值作为评估结果，用实验标准误差s（x）分析A类标准不确定度，根据贝塞尔公式计算离参考电平不同规格的标准偏差[4]。测量重复性引入的A类标准不确定度见表3。
表3 重复性引入标准的不确定度
离参考电平格数 | A类标准不确定度 |
0 | uA=s（x）=0 |
1 | uA=s（x）=0 |
2 | uA=s（x）=0 |
3 | uA=s（x）=0 |
4 | uA=s（x）=0 |
5 | uA=s（x）=0.082dB=1.89% |
6 | uA=s（x）=0.115dB=2.65% |
7 | uA=s（x）=0.178dB=4.11% |
8 | uA=s（x）=0.186dB=4.28% |
9 | uA=s（x）=0.198dB=4.56% |
（一）B类标准不确定度分析
将Agilent848904K和Agilent84906K标准步进衰减器衰减量值不可引入的标准不确定度uB1和uB2，按照说明书的不确定度见表4。标准引入误差的计算公式为：△=±8.68[丨S11丨·丨Γg丨+丨S22丨·丨Γ1丨+（1+丨S21丨·丨S12丨·丨Γ8丨·丨Γ1丨）][5]。信号源输出端连接6dB固定衰减器，信号等效输出的反射系数计算公式为：ΓGe=S22+
。通过标准引入误差的计算公式，将ΓGe代替为Γg，S11、S22、S12和S21分别是 Agilent848904K/Agilent8490K的S参数，失配误差为0.13dB。
表4 Agilent848904K/Agilent84906K标准不确定度
衰减量 | 标准不确定度 |
0 | 0.06dB=1.32% |
10 | 0.08dB=0.81% |
20 | 0.08dB=0.81% |
30 | 0.09dB=2.01% |
40 | 0.16dB=3.63% |
50 | 0.18dB=4.12% |
60 | 0.18dB=4.12% |
70 | 0.26dB=6.04% |
80 | 0.25dB=5.74% |
90 | 0.33dB=7.60% |
三、小结
针对频谱分析仪的垂直限制刻度的校验结果不确定度进行分析，频谱分析仪的参考电平、输入衰减器与垂直显示刻度的校准方法类似，因此可用于频谱仪测量结果不确定度的分析。本文针对频谱分析仪测量结果的不确定度进行分析，有效提高计量人员技术水平，满足客户的客观需求。
参考文献：
[1]陈永红,张鹏,德吉.频谱分析仪校准结果的不确定度评定[J].中国计量,2022(01):89-90.
[2]田郁郁,姚尧,程鹏,王志鹏.基于二氧化硫标准物质的烟气分析仪误差测量结果的不确定度评定[J].当代化工研究,2018(08):128-129.
[3]李凡,庄涛,徐宏光.频谱分析仪测量电平的不确定度分析与评定[J].品牌与标准化,2016(03):67-68.
[4]任冬梅,李青玫.频谱分析仪测量结果的不确定度评定[J].甘肃科技,2015,31(16):74-75.
[5]宋同根,马晖,赵洋,罗强.频谱分析仪自动校准系统测量值的不确定度评定[J].计量与测试技术,2014,41(11):65-67.
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