2021年06月17日 | 随时随地进行精确测量

当今的信号环境不仅拥挤复杂，而且还变化多端。数量庞大的 Wi-Fi 设备让免许可频段变得拥挤不堪。随着数字传输技术取代模拟技术，监管机构对 FM 电台、UHF 和 VHF 电视频道重新进行了分配。蜂窝用户对无线数据的需求不断增长，在某些领域，无线频段甚至与军用雷达频率发生重叠。

当您测试部署的射频、微波和毫米波系统时，外场测试套件中的每一个器件都必须做好准备，应对从日常维护到深入故障诊断的各种任务。本应用指南中的建议和技巧将帮助您使用手持式分析仪进行更理想的测量，获得准确的结果。

如何在各种情况下获得出色的测试结果

您每天都可能需要测量各种器件或信号：电缆、天线、滤波器、现场可更换部件（LRU）；载波信号、干扰信号；以及偶发的或间歇性的杂散信号。KeysightFieldFox 手持式分析仪能够帮助您完成这些测量，以及执行其他任务。

FieldFox 手持式射频和微波分析仪产品的理念是实现精确测量，成为您不可或缺的好帮手。这款分析仪具有多种仪器功能，耐用性达到军方标准，可随时随地提供精确的微波和毫米波测量。接下来，我们将详细说明其使用方法，重点关注三大应用：电缆和天线测试、矢量网络分析和频谱分析。

测试电缆和天线 — 精确定位故障位置和故障类型

传输线路故障是复杂的通信系统中经常遇到的一个主要问题。在外场环境中，由于传输线路可能达到几百米长，因此测量起来非常麻烦。传输线路的两端不在一处，所以无法进行端到端测量。实用的替代方案包括“故障点距离”（DTF）和“时域反射”（TDR）测量。传输线的一端连接 FieldFox，检查“故障点距离”（DTF）和“时域反射”（TDR）信号。这些技术可以帮助您确定线路中故障的位置和性质。FieldFox 的频率范围十分宽广，而且输出功率也很大，因此无论电缆长短，它都能进行精确的测量。

图 1 中的照片显示了一个实例。同轴电缆存在两种损伤：在 A 点处，弯曲半径比规定的最小值（例如一英寸）小；在 B 点处，部分编织屏蔽物被剥除，暴露出内部电介质。

图 1. 这根同轴电缆存在明显的损伤，而单端测量有助于定位和诊断故障。

DTF 测量可报告每个故障点的位置，这是一个很好的起点。为了获得更多细节，您可以使用 TDR 来表征故障类型（图 2）。TDR 迹线中的不连续性有助于您确定每个故障点的性质（例如，弯曲为电容性，刻痕则为电感性）。为了加强故障诊断，FieldFox 手持式射频和微波分析仪 还提供插入损耗、回波损耗和电缆损耗等额外信息。

图 2. 此 TDR 测量结果表明，电缆阻抗一般为 50 欧姆，除非存在不连续点：A 表示电缆中尖锐的弯曲部分，B 表示屏蔽层的损伤。

利用远程操作

FieldFox 分析仪可以使用 iOS 设备进行远程控制（选件 030）。配合使用的 FieldFox 应用软件可以仿真仪器前面板，从远程位置提供全面控制。一名工作人员可携带 FieldFox 分析仪爬上塔架，而地面的同事则可以使用 iPad 或 iPhone（通过网络连接）操作仪器。

通过矢量网络分析表征系统组件

在当今要求严苛的系统中，载波频率不断上升，带宽不断增加，动态范围也在扩大。因此，高性能滤波器对系统运行至关重要。根据应用类型，滤波器可以是具有窄带和较高 Q 因子的带阻或带通器件。为了确保系统性能的持续性，在外场进行精确、可重复的滤波器测量至关重要。

这种滤波器有多种实施方式，其中最常见的是一种空腔器件。空腔的一种形式是只有一个输入耦合环，用匹配的 T 型接头挂在传输线上。这样就形成了一个通道，既可以消除系统中的阻塞频率，也允许所有其他频率以最低损耗通过。

图 3 左侧所示为典型陷波空腔的频率响应。当需要更大的隔离度时，可以依次耦合两个滤波器。如果将两个滤波器调谐到相同的频率，那么所得到的响应将会是一个非常深的陷波，如图 3 右侧所示。

图 3. 测量深陷波滤波器需要使用高品质的手持式网络分析仪。

通过灵活的显示来了解设备性能

图 4 所示为带通滤波器的网络测量，该滤波器必须调谐到业余无线频段中匹配的特定频率。叠加的迹线显示了使用 FieldFox 的 VNA 模式测量的两个 S 参数：S11 是正向反射系数或输入匹配，S21 是正向传输损耗。在 VNA 模式下，FieldFox 手持式射频和微波分析仪 具有完整的矢量测量功能，这意味着它可以测量 S 参数、幅度和相位。它还可以进行时域和混合域（即时域和频域）测量。

图 4. 这些 S 参数测量结果显示了调谐到 10.24 GHz 的窄带通滤波器的特性。

图 5 是以史密斯圆图显示的相同测量过程。线上方半球的阻抗是电感性阻抗， 而下方半球的阻抗是电容性阻抗。水平中心线的每个交叉点是实值阻抗的谐振频率。由此可以看出，实时史密斯圆图是手动调谐滤波器或天线的一种实用性、互动式方法。

图 5. 史密斯圆图的右上角所示为游标处的实际阻抗值。

是德科技：怎样使用Smith图表测量阻抗?zhuanlan.zhihu.com

通过校准提高测量精度

在外场进行网络分析仪测量时，通常会对仪器和连接被测器件（DUT）的电缆执行校准。这样既可以消除系统误差，也能使仪器利用误差校正技术来提高测量精度。

FieldFox 手持式分析仪可以使用标准机械校准件或电子校准件（ECal）进行校准。为了简化校准流程并节省时间，FieldFox 提供了一个校准向导，可以逐步引导您完成校准。

Keysight N755xA 系列是一款物超所值的电子校准件，可以搭配 FieldFox 构成完全集成的解决方案。与传统的校准套件相比，这些校准件将校准时间缩短了一半。只需将电子校准件连接到仪器的测量端口和 USB 端口，接下来的操作固化软件即可完成。

有了 FieldFox，您还无需将校准配件携带到外场。Cal Ready 和 QuickCal 等功能既节省了时间，又降低了复杂度，同时还提高了测量精度。

创建和验证滤波器模型

Keysight EEsof Genesys 软件是一款经济实惠的工具，可用于射频和微波电路的合成和仿真。它通过将匹配网络、滤波器、振荡器、混频器、传输线、PLL 和信号路由结构自动合成电路来加速设计过程。

设计人员可以使用 Genesys 创建一个空腔滤波器，并使用三维（3-D）打印机来显示。安装之后，可以对使用 FieldFox 获得的测量结果与原始设计模型进行比较，以检测老化、漂移、损伤或故障的迹象。

Genesys TestLink 可直接将测量数据从 FieldFox 以及 15 家制造商的 140 多种仪器采集到 Genesys 中。例如，您可以使用这种方式为测量天线创建匹配的网络。

用频谱分析功能表征无线信号

当今的信号环境中充斥各种合法和非法信号。测量需求覆盖基本的频谱监测，也包括标准一致性验证以及复杂的干扰查找。FieldFox 提供标准和可选的频谱分析功能，可选择的最大频率范围为 4 GHz 到 50 GHz。

我们需要时间选通和触发之类的功能来捕获和测量复杂的信号，例如深度调制的蜂窝标准以及脉冲调制雷达系统的信号。因此，从前的简单频谱分析仪可能无法胜任这一任务。

虽然信号功率的基本测量仍然至关重要，但我们也需要进行高级测量（如信道功率、相邻信道功率和占用带宽）来表征现代信号并进行故障诊断。配置为频谱分析仪或组合分析仪时，FieldFox 可以配备如下功能：频率计、射频功率计、跟踪信号发生器、GPS 接收机、模拟解调等。

使用信道扫描功能验证覆盖范围

信道扫描主要用于测试无线网络的覆盖范围以及查找干扰。配备信道扫描仪模式的 FieldFox 手持式微波分析仪可以在任何给定的频率和带宽下扫描多达 20 个信道。每个信道可以设置自定义频率和信道带宽（最大带宽 5 GHz）。

您能以多种形式来显示功率与频率的关系，如：柱形图（垂直或水平）、条形图、图表叠加和信道功率（图 6）。它还具有扫描和监听模式。配备内置 GPS 接收机时，数据还可以包含时间戳。

图 6. 使用 FieldFox 的信道扫描仪监测多个无线信道。信道条形图（显示不同时间的结果）有助于定位信号掉线或变化。

提高幅度精度
与之相仿的台式仪器要求在设定温度下工作，通常需要相当长的预热时间。相比之下，FieldFox 的 SA 模式具有自动内部调整功能，可以补偿 -10 至 + 55°C 范围内的温度变化。凭借这一 InstAlign 功能，分析仪开机即可进行高精度的频谱测量，也能适应规定范围内的各种温度变化。

查找干扰

如果系统未按预期运行，其根本原因可能是存在某种形式的射频干扰。FieldFox 可以帮助您确认在特定频道附近或内部是否存在不需要的信号。您的测量可能会展现具有意外频率、带宽和持续时间的恒定信号、偶发信号或间歇信号。如果系统采用全双工模式，可能需要检查上行链路和下行链路信道是否存在干扰迹象。

由于干扰信号的电平通常比信道载波低得多，因此无线（OTA）测量需要使用本底噪声或显示的平均噪声电平（DANL）非常低的频谱分析仪。噪声电平受所选分辨率带宽（RBW）的影响：较窄的设置可降低本底噪声，但会使测量时间延长。

提高分析仪输入检波器信噪比（SNR）的另一种方法是减少输入衰减量。使用较低的设置（如 0 dBm）时，可能可以使用较宽的 RBW，从而缩短测量时间。请注意：当您所关注的干扰源附近有大功率信号时，降低输入衰减可能会导致失真，甚至会损坏分析仪。1

覆盖所关注频率范围的轻便、便携测试天线也是外场工具套件的另一个重要组成部分。

Keysight N9311X 射频和微波附件套件提供一个完整的解决方案，与结实耐用的 N 型阴连接器（50 Ω）兼容。

当干扰信号出现脉冲、跳跃或其他方式的间歇时，您可以将 FieldFox 配置为不同的显示模式，以帮助进行检测和辨识，如：零扫宽、MaxHold、瀑布图（图 7）和频谱图（图 8）。

图 7. 选件 236 提供的瀑布图可显示频谱与时间的关系，每次刷新时，迹线会向上并向右移动。

图 8. 谱图是频率（水平轴）与时间（垂直轴）的动态显示，颜色表示幅度（蓝色低、红色高）。此图可通过选件 236 提供，用于显示屏幕上最近叠加的频谱（黄色）。

外场验证新 5G 算法
在 5G 产品开发的早期阶段，外场测试有助于洞悉新开发的算法在真实场景的状况。由于实际的最终用户设备尚不可用，因此，要了解 5G 波束的特性，一种实用的方法就是测量基站的信号功率。
Keysight Nemo Outdoor 解决方案支持新兴的无线技术，如三载波聚合、LTE Cat 16、VoLTE/ViLTE、VoWiFi/ViWiFi、 4x4 MIMO 和 eMBMS 测试。FieldFox 手持式分析仪可用作该软件的测量前端。
Nemo Outdoor和 FieldFox 组合可用于测量 5G 无线传播和覆盖范围。Nemo 分析工具提供数据可视化和后期处理功能，使得开发人员能够评测和验证基站的传播模型并检查覆盖范围。

Nemo Outdoor | KeysightPathWave 射频合成软件（Genesys）Nemo Outdoor | Keysight

捕获和了解间歇信号

在瞬息万变的环境中，当频率内容与较宽的信号重叠时，可能难以看到低占空比的小信号。通过实时频谱分析（RTSA）可以显示信号内的干扰信号，对于干扰查找和信号监测尤为有效。安装在手持式分析仪上的 RTSA 使得外场人员可以查看并关注偶发事件或瞬变信号，然后将其与其他特性区分开来。通过使用高速数字信号处理（DSP）技术，Keysight RTSA 功能可以为难以捉摸的信号或间歇信号提供无间隙测量（选件 350）。FieldFox 是较早上市的手持式分析仪，能够提供高达 50 GHz 的 RTSA。

在 RTSA 模式下，频谱密度视图非常有助于了解和显示间歇频谱内容。它能在二维显示结果上显示三维数据，通过颜色来显示在捕获周期内检测到的特定点（如频率和幅度）的次数（图 9）。由于干扰源在信号电平分布方面与载波不同，因此密度显示能轻松地检测同一信道中的多个信号，包括接近大功率发射机频率的低电平信号。

图 9. 这种气象雷达脉冲密度显示使用颜色来显示发生的频率，从“经常”（红色）到“较少”（蓝色）。

凭借其快速 FFT 处理功能，FieldFox 能以 100% 的截获概率（POI）和全幅度精度捕获最窄 12 µs 的信号。当短暂信号的检测至关重要时，除了幅度精度之外，分析仪的 10 MHz 实时带宽（RTBW）也可以显示出最短 22 ns 的脉冲。在进行故障诊断时，10 MHz RTBW 通常足以满足当今大多数 OTA 应用的需求。

在查找干扰期间，使用具有信道扫描和专用干扰分析仪模式（选件 236）的 RTSA 可以通过快速识别潜在的不良杂散以及其他偶发或瞬变的非授权活动来节省时间。频谱图显示和频谱记录可提升您识别、隔离和测量间歇信号的能力。

通过矢量信号分析来了解复杂的信号

Keysight 89600 VSA 软件是先进的信号解调和矢量信号分析工具。FieldFox 与 89600 VSA 结合起来，可以对使用不同制式的设备进行分析和故障诊断：

– 用于公共安全无线电的 APCO-25 和 TETRA
– 用于无线车载通信的 IEEE 802.11p
– 蜂窝通信标准，如 LTE、W-CDMA 和 GSM
– 低功率广域网（WAN）和其他新兴物联网信号制式

将软件安装到兼容的笔记本电脑或平板电脑上可以打造一个便携式解决方案，除了能够采集高达 50 GHz 的信号之外，还能够在调制域、时域和频域中对数字调制信号进行矢量信号分析。显示视图（如频谱图、I/Q 星座图和误差矢量幅度（EVM））让您可以更好地了解外场调制质量 （图 10）。

图 10. 通过局域网连接，将 APCO-25 双向无线信号馈入 89600 VSA 软件进行详细分析。

记录结果、分享数据和规划未来

在外场工作之后，您可能需要完成以下几项任务：撰写报告、下载数据以供团队其他成员分析，或者提前规划设备升级，以便跟上新技术的推进步伐

记录您的工作成果

在外场，您可能需要保存测量迹线和相关的分析仪设置。FieldFox 可以将结果以屏幕截图（.PNG）和数据文件（.CSV）格式保存，您可以将结果存储到内部存储器、外部闪存或 SD 闪存卡，以备后用。基于 PC 的 FieldFox Data Link 软件让您可以调取屏幕文件来对报告加以说明，或导入数据以便在电子表格中进一步分析。

比较结果，检测潜在问题

在安装组件或子系统之前，许多组织会进行基准测量并保存测量结果以备将来参考。之后，他们会进行外场测量来查找老化、磨损、漂移或故障迹象。然而，比较结果可能会有难度，因为使用高品质台式仪器进行的测量通常比使用常规的便携式分析仪进行的测量更准确。

FieldFox 手持式分析仪可得出媲美台式仪器的结果，实现实验室测量或安装测量之间的比较和关联。是德科技的应用指南中对此已有良好的记录：网络测量通常为百分之几分贝，而频谱测量通常为十分之几分贝。

灵活升级，面向未来

为了实现功能的最大化，手持式分析仪应当将您所需的测量功能集成到一台单一、紧凑的仪器中。它们还应为您（以及您的预算）提供更大的灵活性。

FieldFox 能让您针对应用打造合适的功能组合：频率范围、分析仪功能以及各种节省时间的可选功能。您的初始配置可以满足您当前的需求，而仪器体系结构可让您随着需求的变化在后期添加功能。多个售后选件可现场进行升级，也可以通过软件许可证密钥添加到 FieldFox 组合分析仪中，例如：

– USB 功率传感器测量与频率
– VNA 全双端口 S 参数
– 频谱分析仪
– 前置放大器
– 干扰分析仪和频谱图
– USB 功率传感器支持
– GPS 接收机
– 直流偏置可变电压源功能
– 信道扫描仪
– 实时频谱分析仪等等

结论

结实耐用的多功能手持式分析仪可以随时随地为您提供方便、灵活、准确的测量。您只需要学习单一的用户界面，即可访问仪器的全部功能，节约了您的时间和精力。

由于外场套件中的每一件仪器都必须证明其物有所值，因此我们开发了 FieldFox 手持式分析仪来处理日常维护、深入的故障诊断等任务。除此之外，FieldFox 还可以随时随地进行精确的微波和毫米波测量。将 FieldFox 加入工具箱中，您可以随时随地进行精确测量。