В диапазоне СВЧ наблюдение формы сигнала (зависимости его во времени) не позволяет получить полную информацию о нем. Так, осциллограмма радиосигнала с частотной модуляцией практически мало отличим от синусоидального сигнала, наличие в составе сигнала дополнительных гармонических составляющих маскируется большой величиной гармоники несущей частоты и пр. Анализ спектральных характеристик радиосигналов в диапазоне СВЧ более информативен и позволяет измерить его мощность, частоту, коэффициент модуляции и пр. Практически анализатор спектра в СВЧ диапазоне является таким же универсальным прибором для исследования радиосигналов, каким на низких частотах является осциллограф.

Напомним спектральные характеристики радиосигнала. Для сигнала u (t) вводят спектральную функцию (или спектральную плотность), определяемую прямым преобразованием Фурье.

Эта функция комплексная, имеет размерность В/Гц и представляет распределение амплитуд и фаз гармонических составляющих по частотной оси. Спектральная функция существует при абсолютной интегрируемости функции сигнала. Для реальных сигналов это условие обычно всегда выполняется.

Спектральная функция- это функционал уже закончившегося процесса (интеграл берется до "бесконечного" времени). В реальных условиях измерять можно только текущий частотный спектр

характеризующий незаконченный процесс. Чаще измеряют модуль этого выражения - его называют амплитудной спектральной функцией или амплитудным спектром сигнала. Фазу измерить сложнее, поэтому в стандартных измерительных задачах этого не делают.

Для периодических бесконечных сигналов спектральная функция представляет собой последовательность дельта-функций, смещенных друг относительно друга на частоту повторения сигнала. Для этого случая используют спектральное представление в виде ряда Фурье:

где T - период повторения сигнала (u (t ± kT) = u (t), k = 0,1,2,3).

Ряд Фурье представляет собой совокупность гармонических колебаний с кратными частотами. Составляющая с нулевой частотой U0 является постоянной составляющей сигнала. Последовательности амплитуд Un и начальных фаз φn гармоник представляют собой амплитудный и фазовый спектры периодических сигналов.

Особый класс сигналов, который исследуется в спектральном представлении - это шумовые и случайные сигналы. Важной характеристикой шумового сигнала является его спектральная плотность мощности:

Здесь S (w,T) - спектральная плотность реализации случайного процесса на интервале [-T/2,T/2]. Размерность спектральной плотности мощности [В2·с] совпадает с размерностью энергии сигнала, поэтому иногда говорят об энергетическом спектре случайного сигнала. Фактически это характеристика распределения мощности случайного сигнала по частоте.

Сформулируем измерительные задачи спектрального анализа сигналов СВЧ. Это определение амплитуд и частот гармонических составляющих периодических сигналов, измерение амплитудной спектральной функции непериодических сигналов и спектральной плотности мощности случайных сигналов.

Стандартные анализаторы спектра СВЧ диапазона строятся преимущественно по принципу последовательного анализа. Спектральные составляющие выделяют узкополосным фильтром. Фактически такой прибор является узкополосным селективным вольтметром с супергетеродинным принципом перестройки по частоте. Используют электронную перестройку частоты и панорамный принцип индикации результата. На выходе фильтра ставят измеритель уровня (квадратичный детектор). Результат измерения подают на отсчетное устройство - осциллографический индикатор.