频谱分析仪原理及应用

本章除了说明频谱分析仪工作原理、操作使用说明之外，也将其应用领域范围作详细的介绍，尤其应用于天线特性的量测技术将有完整说明。本章的内容包括：1-1 概论
1-2 频谱分析仪的工作原理 1-3 频谱分析仪的应用领域

就量测信号的技术观之，时域方面，示波器为一项极为重要且有效的
量测仪器，它能直接显示信号波幅、频率、周期、波形与相位之响应变化，
目前，一般的示波器至少为双轨迹输出显示装置，同时也具有与绘图仪连
接的IEEE-488、IEEE-1394 或RS-232 接口功能，能将屏幕上量测显示的
信息绘出，作为研究比较的依据，但它仅局限于低频的信号，高频信号则
有其实际的困难。频谱分析仪乃能弥补此项缺失，同时将一含有许多频率
的信号用频域方式来呈现，以识别在各个频率的功率装置，以显示信号在
频域里的特性。图1.1 说明方波在时域与频域的关系，此立体坐标轴分别
代表时间、频率与振幅。由傅立叶级数(Fourier Series)可知方波包含有
基本波(Fundamental Wave)及若干谐波(Harmonics)，信号的组合成份由此立体坐标中对应显示出来。
低频时，双轨迹模拟与数字示波器为目前信号时域的主要量测设备，
模拟示波器可量测的输入信号频率可达100 MHz，数字示波器有100 MHz
与400（或500） MHz 等多种。屏幕上显示信号的意义为横轴代表时间，
纵轴代表信号电压的振幅，用示波器量测可得到信号时间的相位及信号与
时间的关系，但无法获知信号失真的数据，亦即无法获知信号谐波分量的
分布情况，同时量测微波领域(如UHF 以上的频带)信号时，基于设备电子
组件功能的限制、输入端杂散电容等因素，量测的结果无可避免地将产生
信号失真及衰减，为解决量测高频信号上述的问题，频谱分析仪为一适当
而必备的量测仪器，频谱分析仪的主要功能是量测信号的频率响应，横轴
代表频率，纵轴代表信号功率或电压的数值，可用线性或对数刻度显示量
测的结果。另外它的信号追踪产生器 (Tracking Generator)可直接量测
待测件(DUT；Device Under Test)的频率响应特性，但它只能量测振幅无
法量测相位。就高频信号领域观之，频谱分析仪是电子工程技术人员不可
或缺的设备，对频谱分析仪工作原理的了解将有助于信号量测系统的建立
及充分扩展其应用范畴。频谱分析仪的应用领域相当广泛，诸如卫星接收
系统、无线电通信系统、行动电话系统基地台辐射场强的量测、电磁干扰
等高频信号的侦测与分析，同时也是研究信号成份、信号失真度、信号衰
减量、电子组件增益等特性的主要仪器。