两种测量接收机的比较及其不确定度的分析与评定
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇两种测量接收机的比较及其不确定度的分析与评定范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：本文介绍了近年来实验室普遍使用的两款测量接收机：惠普公司的HP8902A以及Agilent公司生产的N5531S。分别对两款测量接收机的工作原理、性能和优缺点进行阐述，还针对校准中测量不确定度的分析与评定做了详细论述。
关键词：测量接收机；射频功率；测量误差；不确定度分析
中图分类号：TN820.3文献标识码：A 文章编号：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 测量高频信号发生器的接收机
高频信号发生器在现代通讯、导航等高科技领域中的研制和生产过程中起者十分重要的作用，测量接收机用于校准射频和微波信号发生器及衰减器，能对其各项性能：如输出电平、载波频率、调制深度、调制频率等参数做出快速、准确的判断。在测量信号时，测量接收机对信号造成的失真小，测试的幅度范围宽，准确度高。
1.1 HP8902A测量接收机
HP8902A测量接收机是美国HP公司生产的，采用同轴开关设计，把同轴开关集成在功率传感器里面，并将高准确度的功率计和精密衰减器联合使用，运用微处理器控制进行存储比较、修正的信号分析仪器。优点是测量较方便，具有宽动态范围的绝对电平精确测量功能，准确度较高，但缺点是开关的老化，容易产生磨损。
1.1.1 基本原理
HP8902A测量接收机是带有校准功能的外差式接收机。[1]它使输入信号变成固定中频信号，然后进行解调。在高频功率测量时，高频信号直接从功率灵敏头输入，信号被功率头内的热电偶吸收，随后产生与输入高频信号功率成比例的直流电压。HP8902A校准装置主要由测量接收机、11793变频器、本振信号发生器和功率探头（11722A、11792A）组成。当被测频率为2.5 MHz～1.3GHz时直接用HP8902A测量接收机进行测试，频率高于1.3GHz后采用外接本振信号发生器和自身变频器与测量接收机组成的测试系统，先将被测信号变频到1.3GHz以下再测试。
1.1.2 HP8902A测量接收机的主要优点与功能：
（1）频率范围：2.5 MHz～26.5GHz
电平量程：0～-127dBm （2.5 MHz～1.3GHz）
0～-110dBm （1.3GHz ～26.5GHz）
分辨率： 0.001dB
HP8902A的标准频率覆盖为1.3 GHz，频率在1.3 GHz以上需要通过下变频器进行混频后输出。
最小RF带宽：200Hz
（2）2个不同的解调带宽
（3）需要外接失真分析仪
（4）HP8902A只能连接（11722A/11792A）功率探头，
1.2 N5531S 测量接收机
N5531S测量接收机是美国Agilent公司生产的，它是基于Agilent PSA系列（E4447A）高性能频谱分析仪和EPM/EPM―P功率计而设计。[2]N5531S的频率覆盖可达40GHz以上，无需外部下变频器并且有可解决失真测量的能力。N5531S比HP8902A有更高的精度和更宽的解调带宽及频率范围，操作更简单，灵活性也更高。
1.2.1 基本原理
N5531S在整体框架上沿用了HP8902A的结构，但没有用到同轴开关，而是使用无源分路器，是将多功能测试合为一体的紧凑型系统。其测量接收机由功率计、功率探头（N5532B Option18、N5532B Option550）、衰减测量模块和调制度测量仪组成。但是整个系统是基于频谱分析仪和功率计，所以无论是功率测量还是射频测量，都只需要简单的连接便可以轻松完成。
1.2.2 N5531S测量接收机的的主要优点与功能：
（1）频率范围：3Hz～44GHz
电平量程：（-10～-130）dBm
分辨率： 0.001dB
最小RF带宽：1Hz
（2）测量Tuned-RF Level操作简单
（3）典型的调制分析仪用户界面
（4）AM/FM/PM高性能解调分析
（5）更多（160个）的解调带宽
（6）直接连接自身功率探头，也可以连接其他功率计（EPM/EPM-P），“即插即用”简单、快捷。测量无需校准，不需要输入校准因子，只要进行清零就可以直接使用。
2 射频电平校准方法
[3]测量接收机既可以测量宽动态范围的绝对电平，又可以测量相对电平（衰减）。测绝对电平时，功率计/功率探头所对应的与频率有关的校准因子，可用功率标准校准而得到，并将校准因子存入功率计内存中，以备调用。测量接收机的动态范围比较大，量程范围宽，可以从30dBm～-130dBm，而且调谐射频电平测量线性度高。当衰减量为0 dB时，不确定度最小；当衰减量为110 dB时，不确定度最大。
（1）HP8902A的校准方法：[4]将测量接收机HP8902A的功率探头（11722A/11792A）和被测仪器的输出端直接相连，采用直接测量法，由HP8902A直接读取参数的测量值。
（2）N5531S的校准方法。将测量接收机N5531S的功率探头（N5532B）和被测仪器的输出端直接相连，采用直接测量法，由N5531S直接读取参数的测量值。
（3）两者实测结果的比较。
3 HP8902A射频功率测量不确定度分析与评定
3.1 数学模型
射频功率准确度： A = AH
式中： AH――HP8902A读数
A――信号发生器E8257D数值
3.2 系统测量的框图如图1所示，信号发生器E8257D输出载波信号，通过功率探头（11722A、11792A）输入到测量接收机HP8902A中.
图1系统测量的框图
3.3 不确定度来源
a） 测量接收机非线性误差引入的标准不确定度。
b） 测量接收机测量分辨力引入的标准不确定度。
c） 量程转换引入的标准不确定度。
d） 信号发生器电平稳定性引入的标准不确定度。
e） 端口失配引入的标准不确定度。
f） 噪声引入的标准不确定度。
g） 测量重复性引入的标准不确定度。
3.4 标准不确定度评定
a）测量接收机非线性误差引入的标准不确定度分量u1
对接收机非线性误差进行修正，最大允许误差±0.05dB按均匀分布，取包含因子，则标准不确定度u1=0.05/dB=0.029 dB
b） 测量接收机测量分辨力引入的标准不确定度分量u2
测量接收测量分辨力引入的误差为0.001 dB，，按均匀分布，取包含因子，则标准不确定度u2=0.001/dB=0.0058 dB
c） 量程转换引入的标准不确定度分量u3
量程转换分中频量程转换和射频量程转换。中频量程转换时量程（1～5）dB允许误差为±0.02dB/量程，量程（6～7）dB允许误差为±0.05dB/量程；射频量程转换允许误差±0.057dB。根据说明书要求，按均匀分布，取包含因子，则标准不确定度u3=0.057/dB =0.10 dB
d） 信号发生器电平稳定性引入的标准不确定度分量u4
信号发生器电平稳定性引入的误差为±0.02 dB，按均匀分布，取包含因子，则标准不确定度u4=0.02/dB=0.012 dB
e） 端口失配引入的标准不确定度分量u5
信号发生器端口驻波p=2.0，反射系数гG=p-1/p+1=0.33；测量接收机的端口驻波p=1.5，反射系数г2=p-1/p+1=0.2；零刻度时的起始衰减为0.1dB，当衰减量为10dB，所以S12=S21，S’12=S’21，г1=0.54和г2=0.25，按失配误差公式估计失配误差极限：，代入各值可得由失配引入最大误差为0.36dB，服从反正弦分布，k=则u5=0.36/=2%=0.26 dB
f） 噪声引入的标准不确定度分量u6
根据说明书要求，当测量信号小于-120 dBm时由噪声引入的误差为±0.18dBm，按均匀分布，取包含因子，则标准不确定度u6=0.18/dB =0.10 dB
g） 测量重复性引入的标准不确定度分量u7
测量重复性采用A类评定，用得到的实验标准偏差表征。通过Agilent公司的信号发生器（8257D）输出f=100MHz、P=-10dBm，用HP8902A对其重复测量10次，测量一组测量列：（单位：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
实验标准偏差利用下式计算：
S（x）= =0.39
u7 =S（x）/ =1.23 dB
3.5 合成标准不确定度
以上各分量相互独立各不相关，可知其合成标准不确定度uc
uc = = 0.28dB
3.6 扩展不确定度
若置信概率p = 95% ，则包含因子k = 2 ，由此可知扩展不确定度U
U = k uc
U= k×uc = 2×0.28=0.56dB
4 N5531S射频功率测量不确定度分析与评定
4.1 数学模型
射频功率准确度： A = AH
式中： AH――N5531S读数
A――信号发生器E8257D数值
4.2系统测量的框图如图2所示，信号发生器E8257D输出载波信号，通过电缆连接输入到测量接收机N5531S中.
图2系统测量的框图
4.3 不确定度来源
a） 测量装置引入的标准不确定度。
b） 测量接收机测量分辨力引入的标准不确定度。
c） 信号发生器电平稳定性引入的标准不确定度。
d） 端口失配引入的标准不确定度。
e）噪声引入的标准不确定度。
f） 测量重复性引入的标准不确定度。
4.4标准不确定度评定
a） 测量装置引入的标准不确定度分量u1
将N5531S经上级计量机构检定合格，最大允许误差为±（0.015+0.005/10）dB，按均匀分布，取包含因子，则标准不确定度u1（10）=（0.015+0.005）/=0.012dB
b） 测量接收机测量分辨力引入的标准不确定度分量u2
测量接收测量分辨力引入的误差为0.001 dB，，按均匀分布，取包含因子，则标准不确定度u2=0.001/dB=0.0058 dB
c） 信号发生器电平稳定性引入的标准不确定度u4
信号发生器电平稳定性引入的误差为0.02 dB，按均匀分布，取包含因子，则标准不确定度u4=0.02/dB=0.012 dB
d） 端口失配引入的标准不确定度u5
信号发生器端口驻波p=2.0，反射系数г1=p-1/p+1=0.33；测量接收机的端口驻波p=1.1，反射系数г2=p-1/p+1=0.048； 零刻度时的起始衰减为0.1dB，当衰减量为10dB，所以S12=S21，S’12=S’21，г1=0.54和г2=0.25，按失配误差公式估计失配误差极限：，代入各值可得由失配引入最大误差为0.28dB，服从反正弦分布，k=则u5=0.288/=2%=0.20 dB
e） 噪声引入的标准不确定度分量u6
根据说明书要求，当测量信号小于-80dBm时由噪声引入的误差为±0.10dBm，按均匀分布，取包含因子，则标准不确定度u6=0.10/dB =0.058 dB
f） 测量重复性引入的标准不确定度u7
测量重复性采用A类评定，用得到的实验标准偏差表征。通过Agilent公司的信号发生器（E8257D ）输出f=100MHz、P=-10dBm，用N5531S对其重复测量10次，测量一组测量列：（单位：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
实验标准偏差利用下式计算：
S（x）= =0.26
u7 =S（x）/ =0.82 dB
4.5 合成标准不确定度
以上各分量相互独立各不相关，可知其合成标准不确定度uc：
uc = = 0.21dB
4.6 扩展不确定度
若取置信概率p=95%，则包含因子k=2，由此可得扩展不确定度为：
U= k×uc = 2×0.21=0.42dB
5 结论
HP8902A在测量接收机中具有非常重要的地位。它由功率计、衰减测量接收机和调制度测量仪三部分组成，可以测量频率、功率、衰减、调幅深度和调频频偏等参数。而Agilent公司后期推出的N5531S比HP8902A有更宽的频率范围，更高的精度和灵活性。N5531S比HP8902A还多了很强的频谱分析功能和数字调制信号分析功能。[5]本文通过对两种接收机工作原理的了解，综合测量过程分析误差项来源，给予较为全面、合理的不确定度评定，为今后工作中的作业指导书的编写、计量确认和实验室认可提供技术支撑。
参考文献
[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.测量接收机校准方法的研究，计量技术，2007.NO.11
[4] 测量接收机校准规范.中华人民共和国国家计量技术规范，JJF1173-2007
[5] 叶德培.测量不确定度[M].北京：国防工业出版社，1996