兩種測量接收機的比較及其不確定度的分析與評定

楊婷

摘要：本文介紹了近年來實驗室普遍使用的兩款測量接收機：惠普公司的HP8902A以及Agilent公司生產的N5531S。分別對兩款測量接收機的工作原理、性能和優缺點進行闡述，還針對校準中測量不確定度的分析與評定做了詳細論述。

關鍵詞：測量接收機；射頻功率；測量誤差；不確定度分析

中圖分類號：TN820.3文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（b）-0000-00

Abstract： The paper introduces two measuring receivers which are widely used in labs in recent years：HP8902A manufactured by HP company and N5531S mnufactured by Agilent company.The paper describes the operating principles performance，superiorities and short comings of the two measuring receivers，furthermore，the paper describes in detail the analysisand evaluation of their uncertainties caused by the process of calibration.

Key words： measuring receivers；RF power；measurement error；analysis of uncertain；

1 測量高頻信號發生器的接收機

高頻信號發生器在現代通訊、導航等高科技領域中的研制和生產過程中起者十分重要的作用，測量接收機用于校準射頻和微波信號發生器及衰減器，能對其各項性能：如輸出電平、載波頻率、調制深度、調制頻率等參數做出快速、準確的判斷。在測量信號時，測量接收機對信號造成的失真小，測試的幅度范圍寬，準確度高。

1.1 HP8902A測量接收機

HP8902A測量接收機是美國HP公司生產的，采用同軸開關設計，把同軸開關集成在功率傳感器里面，并將高準確度的功率計和精密衰減器聯合使用，運用微處理器控制進行存儲比較、修正的信號分析儀器。優點是測量較方便，具有寬動態范圍的絕對電平精確測量功能，準確度較高，但缺點是開關的老化，容易產生磨損。

1.1.1 基本原理

HP8902A測量接收機是帶有校準功能的外差式接收機。[1]它使輸入信號變成固定中頻信號，然后進行解調。在高頻功率測量時，高頻信號直接從功率靈敏頭輸入，信號被功率頭內的熱電偶吸收，隨后產生與輸入高頻信號功率成比例的直流電壓。HP8902A校準裝置主要由測量接收機、11793變頻器、本振信號發生器和功率探頭（11722A、11792A）組成。當被測頻率為2.5 MHz～1.3GHz時直接用HP8902A測量接收機進行測試，頻率高于1.3GHz后采用外接本振信號發生器和自身變頻器與測量接收機組成的測試系統，先將被測信號變頻到1.3GHz以下再測試。

1.1.2 HP8902A測量接收機的主要優點與功能：

（1）頻率范圍：2.5 MHz～26.5GHz

電平量程：0～-127dBm （2.5 MHz～1.3GHz）

0～-110dBm （1.3GHz ～26.5GHz）

分辨率： 0.001dB

HP8902A的標準頻率覆蓋為1.3 GHz，頻率在1.3 GHz以上需要通過下變頻器進行混頻后輸出。

最小RF帶寬：200Hz

（2）2個不同的解調帶寬

（3）需要外接失真分析儀

（4）HP8902A只能連接（11722A/11792A）功率探頭，

1.2 N5531S 測量接收機

N5531S測量接收機是美國Agilent公司生產的，它是基于Agilent PSA系列（E4447A）高性能頻譜分析儀和EPM/EPM—P功率計而設計。[2]N5531S的頻率覆蓋可達40GHz以上，無需外部下變頻器并且有可解決失真測量的能力。N5531S比HP8902A有更高的精度和更寬的解調帶寬及頻率范圍，操作更簡單，靈活性也更高。

1.2.1 基本原理

N5531S在整體框架上沿用了HP8902A的結構，但沒有用到同軸開關，而是使用無源分路器，是將多功能測試合為一體的緊湊型系統。其測量接收機由功率計、功率探頭（N5532B Option18、N5532B Option550）、衰減測量模塊和調制度測量儀組成。但是整個系統是基于頻譜分析儀和功率計，所以無論是功率測量還是射頻測量，都只需要簡單的連接便可以輕松完成。

1.2.2 N5531S測量接收機的的主要優點與功能：

（1）頻率范圍：3Hz～44GHz

電平量程：（-10～-130）dBm

分辨率： 0.001dB

最小RF帶寬：1Hz

（2）測量Tuned-RF Level操作簡單

（3）典型的調制分析儀用戶界面

（4）AM/FM/PM高性能解調分析

（5）更多（160個）的解調帶寬

（6）直接連接自身功率探頭，也可以連接其他功率計（EPM/EPM-P），“即插即用”簡單、快捷。測量無需校準，不需要輸入校準因子，只要進行清零就可以直接使用。

2 射頻電平校準方法

[3]測量接收機既可以測量寬動態范圍的絕對電平，又可以測量相對電平（衰減）。測絕對電平時，功率計/功率探頭所對應的與頻率有關的校準因子，可用功率標準校準而得到，并將校準因子存入功率計內存中，以備調用。測量接收機的動態范圍比較大，量程范圍寬，可以從30dBm～-130dBm，而且調諧射頻電平測量線性度高。當衰減量為0 dB時，不確定度最小；當衰減量為110 dB時，不確定度最大。

（1）HP8902A的校準方法：[4]將測量接收機HP8902A的功率探頭（11722A/11792A）和被測儀器的輸出端直接相連，采用直接測量法，由HP8902A直接讀取參數的測量值。

（2）N5531S的校準方法。將測量接收機N5531S的功率探頭（N5532B）和被測儀器的輸出端直接相連，采用直接測量法，由N5531S直接讀取參數的測量值。

（3）兩者實測結果的比較。

3 HP8902A射頻功率測量不確定度分析與評定

3.1 數學模型

射頻功率準確度： A = AH

式中： AH——HP8902A讀數

A——信號發生器E8257D數值

3.2 系統測量的框圖如圖1所示，信號發生器E8257D輸出載波信號，通過功率探頭（11722A、11792A）輸入到測量接收機HP8902A中.

圖1系統測量的框圖

3.3 不確定度來源

a） 測量接收機非線性誤差引入的標準不確定度。

b） 測量接收機測量分辨力引入的標準不確定度。

c） 量程轉換引入的標準不確定度。

d） 信號發生器電平穩定性引入的標準不確定度。

e） 端口失配引入的標準不確定度。

f） 噪聲引入的標準不確定度。

g） 測量重復性引入的標準不確定度。

3.4 標準不確定度評定

a）測量接收機非線性誤差引入的標準不確定度分量u1

對接收機非線性誤差進行修正，最大允許誤差±0.05dB按均勻分布，取包含因子，則標準不確定度u1=0.05/dB=0.029 dB

b） 測量接收機測量分辨力引入的標準不確定度分量u2

測量接收測量分辨力引入的誤差為0.001 dB，，按均勻分布，取包含因子，則標準不確定度u2=0.001/dB=0.0058 dB

c） 量程轉換引入的標準不確定度分量u3

量程轉換分中頻量程轉換和射頻量程轉換。中頻量程轉換時量程（1～5）dB允許誤差為±0.02dB/量程，量程（6～7）dB允許誤差為±0.05dB/量程；射頻量程轉換允許誤差±0.057dB。根據說明書要求，按均勻分布，取包含因子，則標準不確定度u3=0.057/dB =0.10 dB

d） 信號發生器電平穩定性引入的標準不確定度分量u4

信號發生器電平穩定性引入的誤差為±0.02 dB，按均勻分布，取包含因子，則標準不確定度u4=0.02/dB=0.012 dB

e） 端口失配引入的標準不確定度分量u5

信號發生器端口駐波p=2.0，反射系數гG=p-1/p+1=0.33；測量接收機的端口駐波p=1.5，反射系數г2=p-1/p+1=0.2；零刻度時的起始衰減為0.1dB，當衰減量為10dB，所以S12=S21，S12=S21，г1=0.54和г2=0.25，按失配誤差公式估計失配誤差極限：，代入各值可得由失配引入最大誤差為0.36dB，服從反正弦分布，k=則u5=0.36/=2%=0.26 dB

f） 噪聲引入的標準不確定度分量u6

根據說明書要求，當測量信號小于-120 dBm時由噪聲引入的誤差為±0.18dBm，按均勻分布，取包含因子，則標準不確定度u6=0.18/dB =0.10 dB

g） 測量重復性引入的標準不確定度分量u7

測量重復性采用A類評定，用得到的實驗標準偏差表征。通過Agilent公司的信號發生器（8257D）輸出f=100MHz、P=-10dBm，用HP8902A對其重復測量10次，測量一組測量列：（單位：dBm）

-9.991、-9.986、 -9.984、 -9.982、 -9.981、 -9.980 、-9.980、 -9.980 、-9.979 、-9.978

/10 =-9.982 dBm

實驗標準偏差利用下式計算：

S（x）= =0.39

u7 =S（x）/ =1.23 dB

3.5 合成標準不確定度

以上各分量相互獨立各不相關，可知其合成標準不確定度uc

uc = = 0.28dB

3.6 擴展不確定度

若置信概率p = 95% ，則包含因子k = 2 ，由此可知擴展不確定度U

U = k uc

U= k×uc = 2×0.28=0.56dB

4 N5531S射頻功率測量不確定度分析與評定

4.1 數學模型

射頻功率準確度： A = AH

式中： AH——N5531S讀數

A——信號發生器E8257D數值

4.2系統測量的框圖如圖2所示，信號發生器E8257D輸出載波信號，通過電纜連接輸入到測量接收機N5531S中.

圖2系統測量的框圖

4.3 不確定度來源

a） 測量裝置引入的標準不確定度。

b） 測量接收機測量分辨力引入的標準不確定度。

c） 信號發生器電平穩定性引入的標準不確定度。

d） 端口失配引入的標準不確定度。

e）噪聲引入的標準不確定度。

f） 測量重復性引入的標準不確定度。

4.4標準不確定度評定

a） 測量裝置引入的標準不確定度分量u1

將N5531S經上級計量機構檢定合格，最大允許誤差為±（0.015+0.005/10）dB，按均勻分布，取包含因子，則標準不確定度u1（10）=（0.015+0.005）/=0.012dB

b） 測量接收機測量分辨力引入的標準不確定度分量u2

測量接收測量分辨力引入的誤差為0.001 dB，，按均勻分布，取包含因子，則標準不確定度u2=0.001/dB=0.0058 dB

c） 信號發生器電平穩定性引入的標準不確定度u4

信號發生器電平穩定性引入的誤差為0.02 dB，按均勻分布，取包含因子，則標準不確定度u4=0.02/dB=0.012 dB

d） 端口失配引入的標準不確定度u5

信號發生器端口駐波p=2.0，反射系數г1=p-1/p+1=0.33；測量接收機的端口駐波p=1.1，反射系數г2=p-1/p+1=0.048； 零刻度時的起始衰減為0.1dB，當衰減量為10dB，所以S12=S21，S12=S21，г1=0.54和г2=0.25，按失配誤差公式估計失配誤差極限：，代入各值可得由失配引入最大誤差為0.28dB，服從反正弦分布，k=則u5=0.288/=2%=0.20 dB

e） 噪聲引入的標準不確定度分量u6

根據說明書要求，當測量信號小于-80dBm時由噪聲引入的誤差為±0.10dBm，按均勻分布，取包含因子，則標準不確定度u6=0.10/dB =0.058 dB

f） 測量重復性引入的標準不確定度u7

測量重復性采用A類評定，用得到的實驗標準偏差表征。通過Agilent公司的信號發生器（E8257D ）輸出f=100MHz、P=-10dBm，用N5531S對其重復測量10次，測量一組測量列：（單位：dBm）

-9.998、-9.992、 -9.990、 -9.990、 -9.996、 -9.994 、-9.993、 -9.993 、-9.992 、-9.991

/10 =-9.993 dBm

實驗標準偏差利用下式計算：

S（x）= =0.26

u7 =S（x）/ =0.82 dB

4.5 合成標準不確定度

以上各分量相互獨立各不相關，可知其合成標準不確定度uc：

uc = = 0.21dB

4.6 擴展不確定度

若取置信概率p=95%，則包含因子k=2，由此可得擴展不確定度為：

U= k×uc = 2×0.21=0.42dB

5 結論

HP8902A在測量接收機中具有非常重要的地位。它由功率計、衰減測量接收機和調制度測量儀三部分組成，可以測量頻率、功率、衰減、調幅深度和調頻頻偏等參數。而Agilent公司后期推出的N5531S比HP8902A有更寬的頻率范圍，更高的精度和靈活性。N5531S比HP8902A還多了很強的頻譜分析功能和數字調制信號分析功能。[5]本文通過對兩種接收機工作原理的了解，綜合測量過程分析誤差項來源，給予較為全面、合理的不確定度評定，為今后工作中的作業指導書的編寫、計量確認和實驗室認可提供技術支撐。

參考文獻

[1] HP8902A Measure Receive operation and calibration Manual，USA（22～23）

[2] RF Level Measurement uncertainties with the Measuring Receiver Agilent PSA series

[3] 王陶毅.測量接收機校準方法的研究，計量技術，2007.NO.11

[4] 測量接收機校準規范.中華人民共和國國家計量技術規范，JJF1173-2007

[5] 葉德培.測量不確定度[M].北京：國防工業出版社，1996