微波頻譜儀的工作原理及常見故障的檢修

【摘　要】　介紹了微波頻譜儀（HP859X系列）的工作原理，給出了基本校準(zhǔn)程序和幅度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表，以及一些常見故障的檢修方法。
???? 關(guān)鍵詞：頻譜分析儀，原理，故障檢修

1　引　言
　　頻譜分析儀是微波測量中必不可少的測量儀器之一，它能對信號(hào)的諧波分量、寄生、交調(diào)、噪聲邊帶等進(jìn)行很直觀的測量和分析，因此，廣泛應(yīng)用于微波通信網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)、電子對抗、空間技術(shù)、衛(wèi)星地面站、EMC測試等領(lǐng)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(dòng)態(tài)地觀察被測信號(hào)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(hào)經(jīng)混頻后得到固定的中頻信號(hào)，經(jīng)不同帶寬濾波器后，就能觀察到頻差較小的兩個(gè)信號(hào)。在寬帶外差式頻譜儀設(shè)計(jì)中，為消除鏡像和多重響應(yīng)等干擾，常采用兩種方案：第一種是采用預(yù)選器；第二種是采用上變頻。由于預(yù)選器頻率受下限限制，寬帶頻譜儀總是被劃分成高、低兩個(gè)波段。低波段采用高中頻的方案，它只要一個(gè)固定的低通濾波器而不是可調(diào)的低通或帶通就可以對鏡像進(jìn)行抑制。高波段采用預(yù)選器對輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)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(hào)經(jīng)輸入衰減器后被分成兩路，分別輸入到高、低兩個(gè)波段。

??? 在低波段，頻率為9kHz～2．95GHz的信號(hào)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(jīng)過第二變頻器得到第二中頻F2IF（321．4MHz）。高波段，頻率為2．75GHz～22GHz的信號(hào)被切換到預(yù)選器（YTF），預(yù)選后的信　　號(hào)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(jīng)第三變頻器變換得到第三中頻F3IF（21．4MHz）。在該中頻上，對信號(hào)進(jìn)行處理，使信號(hào)經(jīng)不同帶寬濾波器的選擇，再經(jīng)過線性及對數(shù)放大、檢波、數(shù)字量化和顯示。調(diào)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(hào)頻率。
2．2　各主要組件的功能
　　輸入衰減器是0～70dB；以10dB步進(jìn)的程控衰減器，主要用途是擴(kuò)大頻譜儀的幅度測量范圍，使幅度測量上限擴(kuò)展到＋30dBm。它不但用于保護(hù)第一變頻器過載，并且用于優(yōu)化混頻器電平以實(shí)現(xiàn)最大的測量動(dòng)態(tài)范圍。該衰減器的默認(rèn)狀態(tài)設(shè)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(diào)諧振蕩器（YTO），它具有主線圈和副線圈兩個(gè)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(gè)斜波信號(hào)加在YTO驅(qū)動(dòng)電路上來實(shí)現(xiàn)的。它提供的頻率范圍為3～6．8GHz，用于驅(qū)動(dòng)第一變頻器；掃描斜波發(fā)生器產(chǎn)生－10V～＋10V的掃描電壓，變換成斜波電流后，用于驅(qū)動(dòng)YTO的掃頻。通常利用跟蹤鎖頻技術(shù)或頻率合成技術(shù)，將本振鎖定在參考源上，以提高本振的調(diào)諧準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。
　　變頻器的作用就是將微波信號(hào)變換成低頻，對于頻率范圍為9kHz～22GHz的寬帶頻譜儀，它的第一變頻器中包含有兩個(gè)混頻器，一個(gè)是用于低波段的基波混頻器，另一個(gè)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(guān)及匹配網(wǎng)絡(luò)等。它們分別在石英和陶瓷襯底上，是采用微帶技術(shù)與集總元件相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的。因此，第一變頻器是寬帶頻譜儀中最關(guān)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(jìn)增益放大器對第三中頻信號(hào)進(jìn)行放大，主要用于參考電平和衰減器變化時(shí)整機(jī)增益的調(diào)整。帶寬濾波器可以提供3MHz～30Hz以1、3、5為步進(jìn)的多種不同的分辨率帶寬。
　　調(diào)諧濾波器（YTF），用于預(yù)選信號(hào)，該器件是寬帶微波器件，具有30kHz的濾波帶寬，設(shè)計(jì)上總是被第一本振所調(diào)諧，并有一個(gè)固定的頻差（F2IF）。
　　對數(shù)放大器是將信號(hào)作對數(shù)處理，擴(kuò)大測量顯示動(dòng)態(tài)范圍。交流信號(hào)由檢波器轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào)，再進(jìn)行數(shù)字量化。經(jīng)過各種運(yùn)算得到的測量結(jié)果輸出在顯示器上。
3　頻譜儀的校準(zhǔn)
　　HP859X系列頻譜儀最大的特點(diǎn)就是利用其強(qiáng)大的軟件功能來彌補(bǔ)其硬件設(shè)計(jì)上的不足，不但減少了硬件設(shè)計(jì)，而且還減少了硬件的調(diào)試環(huán)節(jié)。
3．1　頻譜儀的校準(zhǔn)程序
　　儀器內(nèi)部計(jì)算機(jī)設(shè)有三個(gè)常用校準(zhǔn)程序：頻率校準(zhǔn)、幅度校準(zhǔn)和預(yù)選器（YTF）校準(zhǔn)。
3．1．1　頻率校準(zhǔn)
　　當(dāng)頻譜儀經(jīng)過振動(dòng)、運(yùn)輸、長時(shí)間放置或大的環(huán)境溫度變化時(shí)，頻譜儀頻率調(diào)諧會(huì)發(fā)生變化，帶來頻率測量誤差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)測量信號(hào)左右晃動(dòng)的現(xiàn)象，通過頻率校準(zhǔn)可以排除該現(xiàn)象。校準(zhǔn)的過程主要是以300MHz信號(hào)為參考信號(hào)，對頻譜儀的掃描時(shí)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(jìn)行誤差校準(zhǔn)，使頻譜儀頻率調(diào)諧范圍正常。
　　校準(zhǔn)方法是：用頻率／幅度校準(zhǔn)電纜，將校準(zhǔn)信號(hào)（CAL OUTPUT）接入頻譜儀的信號(hào)輸入端。按【CAL】〔CALFREQ〕，頻譜儀進(jìn)入頻率校準(zhǔn)程序。校準(zhǔn)結(jié)束后，屏幕上出現(xiàn)“CALDONE”信息，按〔CALSTORE〕鍵將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在儀器的E2PROM中。
3．1．2　幅度校準(zhǔn)
　　與頻率校準(zhǔn)一樣，當(dāng)頻譜儀測量幅度準(zhǔn)確度發(fā)生變化時(shí)，通過幅度校準(zhǔn)程序可以使儀器滿足出廠指標(biāo)，過程主要是以300MHz信號(hào)為參考信號(hào)，對頻譜儀的整個(gè)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(jìn)行誤差測量并校正。
　　校準(zhǔn)方法是：用頻率／幅度校準(zhǔn)電纜，將校準(zhǔn)信號(hào)（CAL OUTPUT）接入頻譜儀的信號(hào)輸入端。按【CAL】〔CALAMP〕，頻譜儀進(jìn)入幅度校準(zhǔn)程序。校準(zhǔn)結(jié)束后，屏幕上出現(xiàn)“CALDONE”信息，按〔CALSTORE〕鍵將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在儀器的E2PROM中。
3．1．3　預(yù)選器（YTF）校準(zhǔn)
　　預(yù)選器的掃頻和跟蹤是頻譜儀諧波波段的關(guān)鍵。該機(jī)設(shè)計(jì)上采用了和第一本振相互獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路，對各波段分別校準(zhǔn)和驅(qū)動(dòng)。在頻譜儀快掃、慢掃、跨波段掃時(shí)，對第一振蕩器和預(yù)選器的磁滯、延遲進(jìn)行補(bǔ)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(shí)間較長，環(huán)境溫度變化較大所造成的。預(yù)選跟蹤器不良會(huì)造成幅度測量誤差，甚至測不到信號(hào)，此時(shí)應(yīng)該進(jìn)行YTF校準(zhǔn)。
　　校準(zhǔn)方法是：用YTF校準(zhǔn)電纜，將100MHz梳狀波（COMB）信號(hào)接到頻譜儀的RF輸入端。按【CAL】〔CALYTF〕，頻譜儀進(jìn)入YTF校準(zhǔn)程序。校準(zhǔn)結(jié)束后，屏幕上出現(xiàn)“CALDONE”信息，按〔CALSTORE〕鍵將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在儀器的E2PROM中。
　　如果在校準(zhǔn)期間退出或校準(zhǔn)不能完成出現(xiàn)錯(cuò)誤信號(hào)，按〔CALFETCH〕取回校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。這時(shí)儀器將需要重新調(diào)整和修理。
3．2　頻譜儀校準(zhǔn)后的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)
　　HP859X系列頻譜儀不僅能對儀器各種指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)，而且還能將各種校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存貯在內(nèi)存里，便于操作和維修人員進(jìn)行參考。只要進(jìn)入維修菜單，就能將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)顯示出來。具體步驟是：按下菜單〔CAL〕，（MORE），（MORE），（SERVICEDIAG），（DISPLAYCALDATA），這時(shí)頻譜儀的幅度校準(zhǔn)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(zhǔn)數(shù)據(jù)表。 　　
　　表中含有輸入衰減器（RFATN）衰減量為0～70dB以10dB為步進(jìn)的各檔幅度誤差修正值，對數(shù)放大器（LOG）放大量為0～50dB以10dB為步進(jìn)的各檔幅度誤差修正值，線性放大器（LIN）放大量為10～40dBm以10dB為步進(jìn)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(jìn)的各檔幅度誤差修正值；頻譜儀整個(gè)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(zhǔn)表，我們不但能分析頻譜儀中各硬件電路的性能指標(biāo)，而且還能給維修儀器帶來一定的方便。頻譜儀內(nèi)部計(jì)算機(jī)對幅　　度修正的能力最大為±2．2dBm，DAC的修正值最大為255，如果頻譜儀在作幅度校準(zhǔn)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(zhǔn)不能完成，頻譜儀屏幕上將出現(xiàn)錯(cuò)誤信息。
4　故障檢修
　　本人在維修數(shù)十臺(tái)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(hào)不正確上，因篇幅有限，本文將重點(diǎn)介紹HP859X系列頻譜儀測量信號(hào)幅度不正確的故障檢修方法，并借助幅度校準(zhǔn)表來進(jìn)行故障定位。
　　首先對頻譜儀的基本功能進(jìn)行檢查，將頻譜儀前面板上頻率為300MHz、幅度為－20dBm的校準(zhǔn)信號(hào)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〕，〔MHz〕，這時(shí)頻譜儀的顯示屏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(zhǔn)，若校準(zhǔn)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(zhǔn)通不過的話，則說明頻譜儀出現(xiàn)故障，需進(jìn)行調(diào)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(zhǔn)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(zhǔn)，同時(shí)顯示錯(cuò)誤信息。在作幅度校準(zhǔn)過程中，常出現(xiàn)以下三種錯(cuò)誤信息：“CAL GAIN FAIL”、“CALSIGNAL NOT FOUND”、“CAL：RES BW AMPLFAIL”，本文就以上述三種錯(cuò)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“CALGAIN FAIL”
　　該故障信息表明儀器在幅度校準(zhǔn)過程中，檢測增益明顯降低，補(bǔ)償?shù)阶畲笾狄嗖荒苓_(dá)到指標(biāo)，這時(shí)儀器校準(zhǔn)停止，并將錯(cuò)誤信息“CALGAIN FAIL”顯示在屏幕上，該故障性質(zhì)屬整個(gè)通道增益問題，根據(jù)儀器原理框圖可知，產(chǎn)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(hào)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(diào)出幅度校準(zhǔn)表，發(fā)現(xiàn)增益補(bǔ)償DAC值為255，說明增益已經(jīng)補(bǔ)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(jìn)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(zhǔn)信號(hào)連接到頻譜儀的輸入端，用另一臺(tái)頻譜儀測量第二混頻器的輸出信號(hào)，此時(shí)所測量的正常信號(hào)頻率應(yīng)為321．4MHz，幅度為－50dBm±2dBm。若測量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常值，可以判定儀器的故障出現(xiàn)在射頻部分，反之則在中頻部分。筆者經(jīng)過維修實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)此類故障90％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(zhǔn)過程中沒有發(fā)現(xiàn)校準(zhǔn)信號(hào)。該類故障的檢查步驟為：檢查校準(zhǔn)信號(hào)與信號(hào)輸入端之間的射頻電纜是否連接完好、校準(zhǔn)信號(hào)輸出是否正常、第二混頻器的輸出信號(hào)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：RESBW AMPLFAIL”
　　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(zhǔn)時(shí)，其中一檔或幾檔濾波器的幅度誤差超過2．2dBm，計(jì)算機(jī)儀器內(nèi)部靠軟件補(bǔ)償也不行。此時(shí)若調(diào)出幅度校準(zhǔn)補(bǔ)償數(shù)據(jù)，可以觀察到分辨率帶寬（BWAMP）數(shù)據(jù)表那欄的補(bǔ)償數(shù)據(jù)將至少有一個(gè)誤差數(shù)據(jù)超過2．2，說明該檔分辨率帶寬濾波器的幅度增益誤差太大，此類故障只要作分辨率帶寬幅度調(diào)整即可解決。
5　結(jié)束語
　　本文著重介紹了HP859X系列頻譜儀的基本工作原理，和一些常見故障的維修方法，筆者在維修儀器過程中最大的體會(huì)是，要維修該類儀器，主要是要了解儀器的工作原理、儀器的原理框圖、信號(hào)流程以及正確　　的維修方法，才能提高維修效率?！?