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之一，它能對信號的諧波分量、寄生、交調(diào)、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(wǎng)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(jīng)混頻后得到固定的中頻信號，經(jīng)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(diào)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(jīng)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9kHz～2.95GHz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(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(jīng)第三變頻器變換得到第三中頻F3IF(21.4MHz)。在該中頻上，對信號進行處理，使信號經(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為輸入信號頻率。

　　2.2　各主要組件的功能

　　輸入衰減器是0～70dB;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，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(diào)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(qū)動電路上來實現(xiàn)的。它提供的頻率范圍為3～6.8GHz，用于驅(qū)動第一變頻器;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(diào)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9kHz～22GHz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(wǎng)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(diào)整。帶寬濾波器可以提供3MHz～30Hz以1、3、5為步進的多種不同的分辨率帶寬。

　　調(diào)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(diào)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(zhuǎn)化為視頻信號，再進行數(shù)字量化。經(jīng)過各種運算得到的測量結果輸出在顯示器上。

　　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(diào)試環(huán)節(jié)。

　　3.1　頻譜儀的校準程序

　　儀器內(nèi)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(jīng)過振動、運輸、長時間放置或大的環(huán)境溫度變化時，頻譜儀頻率調(diào)諧會發(fā)生變化，帶來頻率測量誤差，嚴重時會出現(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(diào)諧范圍正常。

　　校準方法是：用頻率/幅度校準電纜，將校準信號(CAL OUTPUT)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(jù)存儲在儀器的E2PROM中。

　　3.1.2　幅度校準

　　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出廠指標，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(CAL OUTPUT)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(jù)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第一本振相互獨立的驅(qū)動電路，對各波段分別校準和驅(qū)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(jù)存儲在儀器的E2PROM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(jù)。這時儀器將需要重新調(diào)整和修理。

　　3.2　頻譜儀校準后的校準數(shù)據(jù)

　　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(jù)存貯在內(nèi)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(jù)顯示出來。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(jù)表。

　　表中含有輸入衰減器(RFATN)衰減量為0～70dB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0～50dB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10～40dBm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(nèi)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〕，〔MHz〕，這時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，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，則說明頻譜儀出現(xiàn)故障，需進行調(diào)整或修理后，方能正常使用。現(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，常出現(xiàn)以下三種錯誤信息：“CAL GAIN FAIL”、“CALSIGNAL NOT FOUND”、“CAL：RES BW AMPLFAIL”，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“CALGAIN FAIL”

　　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“CALGAIN FAIL”顯示在屏幕上，該故障性質(zhì)屬整個通道增益問題，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)出幅度校準表，發(fā)現(xiàn)增益補償DAC值為255，說明增益已經(jīng)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-50dBm±2dBm。若測量值遠遠低于正常值，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、校準信號輸出是否正常、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：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時，其中一檔或幾檔濾波器的幅度誤差超過2.2dBm，計算機儀器內(nèi)部靠軟件補償也不行。此時若調(diào)出幅度校準補償數(shù)據(jù)，可以觀察到分辨率帶寬(BWAMP)數(shù)據(jù)表那欄的補償數(shù)據(jù)將至少有一個誤差數(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、信號流程以及正確的維修方法，才能提高維修效率。