微波頻譜儀的工作原理及常見故障的檢修

1、微波頻譜儀的工作原理及常見故障的檢修1引言頻譜分析儀是微波測量中必不可少的 測量儀器|儀表之一，它能對信號的諧波分量、寄生、交調、噪 聲邊帶等進行很直觀的測量和分析，因此，廣泛應用于微波通信網絡、雷達、電子對抗、空間技術、衛(wèi)星地面站、EMC測試等領域。2微波頻譜儀的基本工作原理和各主要組件的功能2 .1微波頻譜儀的基本工作原理為了能動態(tài)地觀察被測信號的頻譜，現(xiàn)代頻譜儀大多采用掃頻超外差式接收方案，利用掃頻第一本 振的方法，被測信號經混頻后得到固定的中頻信號，經不同帶寬濾波器后，就能觀察到頻差較小的兩個信 號。在寬帶外差式頻譜儀設計中，為消除鏡像和多重響應等干擾，常采用兩種方案：第一種是采用預選

2、器； 第二種是采用上變頻。由于預選器頻率受下限限制，寬帶頻譜儀總是被劃分成高、低兩個波段。低波段采 用高中頻的方案，它只要一個固定的低通濾波器而不是可調的低通或帶通就可以對鏡像進行抑制。高波段采用預選器對輸入信號進行預選，有效地抑制鏡像。圖1是HP859X系列頻譜儀的簡化原理框圖。微波信號經輸入衰減器后被分成兩路，分別輸入到高、低兩個波段。在低波段，頻率為9kHz2 . 95GHz的信號被切換到第一 變頻器中的基波混頻器部分（MXR1 ），得到第一中頻 F1IF （3. 9214MHz ），F(xiàn)1IF經過第二變頻器得到第二中頻F2IF （321 . 4MHz ）。高波段，頻率為 2 . 75GH

3、z22GHz的信號被切換到預選器（YTF），預選后的信號輸入到第一變頻器中的諧波混頻器部分（ MXR2 ），得到第二中頻F2IF。F2IF經第三變頻器變換得到第三中頻 F3IF （21 . 4MHz ）。在該中頻上，對信號進行處理，使信號經不 同帶寬濾波器的選擇，再經過線性及對數(shù)放大、檢波、數(shù)字量化和顯示。調諧方程如下：式中：N為諧波混頻次數(shù)，F(xiàn)1LO為第一本振頻率，F(xiàn)2LO為第二本振頻率，F(xiàn)RF為輸入信號頻率。2 . 2各主要組件的功 能輸入衰減器是070dB ;以10dB步進的程控衰減器，主要用途是擴大頻譜儀的幅度測量范圍，使幅度測量上限擴展到+ 30dBm。它不但用于保護第一變頻器過載，

4、并且用于優(yōu)化混頻器電平以實現(xiàn)最大的測量 動態(tài)范圍。該衰減器的默認狀態(tài)設置是10dB，用于改善頻譜儀和被測源之間的匹配。第一本振采用YIG調諧振蕩器（YTO ），它具有主線圈和副線圈兩個控制端口，改變流過線圈中的電流的大小就可以改變輸 出頻率。掃頻是利用一個斜波信號加在YTO驅動電路上來實現(xiàn)的。它提供的頻率范圍為36 . 8GHz，用于驅動第一變頻器；掃描斜波發(fā)生器產生10V+ 10V的掃描電壓，變換成斜波電流后，用于驅動YTO 的掃頻。通常利用跟蹤鎖頻技術或頻率合成技術，將本振鎖定在參考源上，以提高本振的調諧準確度和穩(wěn) 定度。變頻器的作用就是將微波信號變換成低頻，對于頻率范圍為9kHz22GH

5、z的寬帶頻譜儀，它的第一變頻器中包含有兩個混頻器，一個是用于低波段的基波混頻器，另一個是用于高波段的諧波混頻器。變 頻器中還包括6dB衰減器、單刀雙擲開關及匹配網絡等。它們分別在 石英和陶瓷襯底上，是采用微帶技術 與集總元件相結合來實現(xiàn)的。因此，第一變頻器是寬帶頻譜儀中最關鍵的微波部件之一。第二變頻器主要完成第一中頻到第二中頻的變換。本振頻率是3 . 6GHz，它由600MHz倍頻獲得。第三變頻器將第二中頻變換到第三中頻，其本振為300MHz。步進增益 放大器對第三中頻信號進行放大，主要用于參考電平和衰減器變化時整機增益的調整。帶寬濾波器可以提供3MHz30Hz以1、3、5為步進的多種不同的分

6、辨率帶寬。調諧濾波器（YTF），用于預選信號，該器件是寬帶微波器件，具有30kHz的濾波帶寬，設計上總是被第一本振所調諧，并有一個固定的頻差（F2IF ）。對數(shù)放大器是將信號作對數(shù)處理，擴大測量顯示動態(tài)范圍。交流信號由檢波器轉化為視頻信號，再進行數(shù)字量化。經過各種運算得到的測量結果輸岀在顯示器上。3頻譜儀的校準HP859X系列頻譜儀最大的特點就是利用其強大的軟件功能來彌補其硬件設計上 的不足，不但減少了硬件設計，而且還減少了硬件的調試環(huán)節(jié)。3. 1頻譜儀的校準程序儀器內部計算機設有三個常用校準程序：頻率校準、幅度校準和預選器（YTF）校準。3 .1.1頻率校準當頻譜儀經過振動、運輸、長時間放置

7、或大的環(huán)境溫度變化時，頻譜儀頻率調諧會發(fā)生變化，帶來頻率測量誤差，嚴重時會岀 現(xiàn)測量信號左右晃動的現(xiàn)象，通過頻率校準可以排除該現(xiàn)象。校準的過程主要是以 300MHz信號為參考信 號，對頻譜儀的掃描時間、中心頻率、跨度（掃寬）、YIG主線圈延遲、副線圈靈敏度、掃頻靈敏度進行誤差校準，使頻譜儀頻率調諧范圍正常。校準方法是：用頻率/幅度校準電纜，將校準信號（CALOUTPUT ） 接入頻譜儀的信號輸入端。按【CAL】CALFREQ，頻譜儀進入頻率校準程序。校準結束后，屏幕上出 現(xiàn)"CALDONE"信息，按CALSTORE鍵將校準數(shù)據存儲在儀器的E2PROM中。3 . 1 . 2幅

8、度校準與頻率校準一樣，當頻譜儀測量幅度準確度發(fā)生變化時，通過幅度校準程序可以使儀器滿足岀廠指標，過程 主要是以300MHz信號為參考信號，對頻譜儀的整個通道幅度、分辨帶寬濾波器、對數(shù)放大器、以及輸入 衰減器等幅度進行誤差測量并校正。校準方法是：用頻率/幅度校準電纜，將校準信號（CALOUTPUT ）接入頻譜儀的信號輸入端。按【 CAL】CALAMP，頻譜儀進入幅度校準程序。校準結束后，屏幕上出現(xiàn)"CALDONE"信息，按CALSTORE鍵將校準數(shù)據存儲在儀器的 E2PROM中。3 . 1 .3預選器（YTF） 校準預選器的掃頻和跟蹤是頻譜儀諧波波段的關鍵。該機設計上采用了和

9、第一本振相互獨立的驅動電路， 對各波段分別校準和驅動。在頻譜儀快掃、慢掃、跨波段掃時，對第一振蕩器和預選器的磁滯、延遲進行 補償，大大地改善了 YTF的跟蹤特性。如果頻譜儀在諧波波段上有5dB或更大的幅度誤差，往往是儀器放置時間較長，環(huán)境溫度變化較大所造成的。預選跟蹤器不良會造成幅度測量誤差，甚至測不到信號，此 時應該進行YTF校準。校準方法是：用 YTF校準電纜，將100MHz梳狀波（COMB ）信號接到頻譜儀的 RF輸入端。按【CAL 】CALYTF，頻譜儀進入 YTF校準程序。校準結束后，屏幕上出現(xiàn)"CALDONE"信息，按CALSTORE鍵將校準數(shù)據存儲在儀器的E2

10、PROM中。如果在校準期間退出或校準不能完成出現(xiàn)錯誤信號，按CALFETCH取回校準數(shù)據。這時儀器將需要重新調整和修理。3 . 2頻譜儀校準后的校準數(shù)據HP859X系列頻譜儀不僅能對儀器各種指標進行校準，而且還能將各種校準數(shù)據存貯在內存 里，便于操作和維修人員進行參考。只要進入維修菜單，就能將校準數(shù)據顯示岀來。具體步驟是：按下菜 單CAL，（ MORE ）,（ MORE ）,（ SERVICEDIAG ）,（ DISPLAYCALDATA ），這時頻譜儀的幅度校準表將顯示在屏幕上，如表1所示。表1是HP8593E頻譜儀出廠的典型幅度校準數(shù)據表。表中含有輸入衰減器（RFATN ）衰減量為070d

11、B以10dB為步進的各檔幅度誤差修正值，對數(shù)放大器（LOG ）放大量為050dB以10dB為步進的各檔幅度誤差修正值，線性放大器（ LIN ）放大量為1040dBm 以10dB為步進的各檔幅度誤差修正值，分辨率帶寬放大器（ BWAMP ）以1、3、10為帶寬為步進的各 檔幅度誤差修正值；頻譜儀整個通道增益（ GAIN ）修正值，增益修正值是以 DAC的形式來表示的，修正 值最小為0，最大為255等。這張幅度校準表，我們不但能分析頻譜儀中各硬件電路的性能指標，而且還 能給維修儀器帶來一定的方便。頻譜儀內部計算機對幅度修正的能力最大為±2 . 2dBm，DAC的修正值最大為255，如果頻

12、譜儀在作幅度校準過程中，各類誤差修正值超過±2 . 2dBm，DAC的修正值最大為255，則校準不能完成，頻譜儀屏幕上將出現(xiàn)錯誤信息。4故障檢修本人在維修數(shù)十臺 HP859X系列頻譜儀的過程中，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)故障都出現(xiàn)在頻譜儀測量信號不正確上，因篇幅有限，本文將重點介紹HP859X系列頻譜儀測量信號幅度不正確的故障檢修方法，并借助幅度校準表來進行故障定位。首先對頻譜儀的基 本功能進行檢查，將頻譜儀前面板上頻率為300MHz、幅度為20dBm 的校準信號用射頻電纜連接到頻譜儀的輸入端，按下FREQUENCY，（ 3 ），（ 0 ），（ 0 ）， MHz； SPAN，（ 1 ），（ 0 ），

13、MHz，這時頻譜儀的顯示屏|顯示器件幕上正常顯示的是頻率為300MHz、幅度為20dBm 的一根譜線，并作頻率、幅度校準，若校準通過，說明頻譜儀基本工作正常。如果測量幅度較低或較高，且幅度 校準通不過的話，則說明頻譜儀岀現(xiàn)故障，需進行調整或修理后，方能正常使用?，F(xiàn)代程控儀器大多都有 自診斷功能，尤其是 HP859X系列頻譜儀，在作校準的過程中，如果檢測到其中某一功能不正常的話，頻 譜儀將立即停止自校準，同時顯示錯誤信息。在作幅度校準過程中，常岀現(xiàn)以下三種錯誤信息："CALGAINFAIL" 、"CALSIGNALNOTFOUND" 、"CAL

14、: RESBWAMPLFAIL"，本文就以上述三種錯誤 信息來分析HP859X系列頻譜儀幅度故障的檢修方法。（1 ）故障信息"CALGAINFAIL"該故障信息表明 儀器在幅度校準過程中，檢測增益明顯降低，補償?shù)阶畲笾狄嗖荒苓_到指標，這時儀器校準停止，并將錯 誤信息"CALGAINFAIL" 顯示在屏幕上，該故障性質屬整個通道增益問題，根據儀器原理框圖可知，產生 故障的部件主要有：射頻部分（輸入衰減器、第一混頻器、第二混頻器、YTO、信號控制板）、中頻部分（第三混頻器、分辨率帶寬電路、幅度控制電路、對數(shù)放大器）等部件。首先調岀幅度校準表，發(fā)現(xiàn)增

15、益 補償DAC值為255，說明增益已經補償最大值，可初步判斷儀器硬件有故障；由于該故障牽涉的部件較 多，逐一檢查速度很慢，不利于提高維修效率，第二步就是對故障進行隔離，將故障定位在射頻部分或在 中頻部分，具體方法是：將前面板校準信號連接到頻譜儀的輸入端，用另一臺頻譜儀測量第二混頻器的輸 出信號，此時所測量的正常信號頻率應為321 . 4MHz，幅度為50dBn± 2dBm。若測量值遠遠低于正90 %常值，可以判定儀器的故障岀現(xiàn)在射頻部分，反之則在中頻部分。筆者經過維修實踐，發(fā)現(xiàn)此類故障以上是射頻部分故障，故障最多的部件是輸入衰減器、第一混頻器及YTO°( 2 )故障信息"CALSIGNALNOTFOUND"該故障信息表明儀器在作幅度校準過程中沒有發(fā)現(xiàn)校準信號。該類故障的檢查步驟為：檢查校準信號與信號輸入端之間的射頻電纜是否連接完好、校準信號輸岀是否正常、第二混頻器 的輸出信號是否正常等。 此類故障多為頻譜儀中第一混頻器故障。(3)故障信息"CAL : RESBWAMPLFAIL"該故障信息表示儀器在作分辨率帶寬濾波器幅度增益校準時，其中一檔或幾檔濾波器的幅