E4408B頻譜分析儀頻率合成器的故障檢修

唐德平，徐向明

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，江蘇南京210016)

1 E4408B 頻譜分析儀工作原理

頻率合成器是頻譜分析儀的一個(gè)重要組成部分，對(duì)頻譜儀的靈敏度、相位噪聲、分辨帶寬、頻率準(zhǔn)確度、頻率響應(yīng)等技術(shù)指標(biāo)有著決定性的影響。E4408B頻譜分析儀的頻率合成器由兩個(gè)鎖相環(huán)路組成:一個(gè)點(diǎn)頻鎖相環(huán)路，將100 MHz VCXO(壓控振蕩器)鎖相于10 MHz 頻標(biāo)信號(hào)，使得儀器的本振頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度達(dá)到設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，并通過倍頻形成二本振信號(hào)(3.6 GHz)、三本振信號(hào)(300 MHz);一個(gè)小數(shù)分頻鎖相環(huán)路，將YTO(調(diào)諧振蕩器)的輸出頻率間接鎖相于頻標(biāo)，這個(gè)環(huán)路只在頻譜儀SPAN 為0 時(shí)工作于點(diǎn)頻狀態(tài)，否則它只在掃描的起始頻率上鎖相，鎖后環(huán)路斷開工作于掃描狀態(tài)，掃寬由SPAN 設(shè)定值決定，YTO 的初始頻率設(shè)定值、小數(shù)分頻模值均由程序控制。YTO 輸出信號(hào)經(jīng)過放大器放大后作為本振信號(hào)直接送至第一混頻器(用于2.9 GHz 以下波段，如圖1中A8A6所示)，同時(shí)經(jīng)耦合器饋送到功率分配放大器放大后，作為本振信號(hào)送到Y(jié)TX(調(diào)諧混頻器，用于2.9 ～26.5 GHz 頻帶)。第一本振信號(hào)可能是YTO 信號(hào)的基波，YTX 的本振信號(hào)是YTO 信號(hào)的一次或二次、三次、四次諧波，隨工作波段而變。圖1 中，OCXO為恒溫晶體管振蕩器，LO 為本振，F(xiàn)MDRIVE 為調(diào)頻驅(qū)動(dòng)，MAINDRIVE 為主驅(qū)動(dòng)，YTO 為調(diào)諧振蕩器，YTX 為壓控振蕩器，F(xiàn)RETUNE 為預(yù)調(diào)，F(xiàn)RAN 為小數(shù)分頻器。

圖1 E4408B 頻譜分析儀原理方框圖

2 故障檢修的基本方法

1)利用儀器的故障診斷功能

該儀器內(nèi)部電路上有若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其故障診斷程序通過對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行掃描檢測(cè)確定某些電路的工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障后會(huì)在顯示屏上顯示相應(yīng)的故障提示，參照儀器的維修手冊(cè)［1］基本可以確定故障的大致部位。這一功能對(duì)于頻率合成器部分的故障診斷作用尤為突出，因此應(yīng)首先利用儀器的故障診斷功能，以簡(jiǎn)化維修步驟。

2)應(yīng)遵從先點(diǎn)頻后掃頻的步驟，考察頻率合成器的工作狀態(tài)

通過頻率合成器的工作原理可以看出點(diǎn)頻狀態(tài)下影響鎖相環(huán)路工作的因素相對(duì)較少，此時(shí)YTO 的預(yù)設(shè)值和小數(shù)分頻模值固定不變，這對(duì)于測(cè)試非常有利，而且點(diǎn)頻狀態(tài)能夠反映出鎖相環(huán)路的基本工作情況。一旦確認(rèn)點(diǎn)頻狀態(tài)正常，可通過逐步加大SPAN 值的方式檢查小數(shù)分頻鎖相環(huán)路的工作狀態(tài)。事實(shí)上，由于環(huán)路中使用的微電子器件的工作頻率范圍很寬，其電氣特性可能在某些頻率點(diǎn)上出現(xiàn)異常，從而引起環(huán)路失鎖，不仔細(xì)觀察可能錯(cuò)過了對(duì)故障點(diǎn)的檢查。

3)用鑒相器輸入信號(hào)選一法壓縮鎖相環(huán)路的故障點(diǎn)

環(huán)路鎖定的條件是，參考信號(hào)與振蕩器信號(hào)相位差為0。采用措施使鑒相器的輸入信號(hào)為同一信號(hào)，有利于檢相器、積分器、誤差放大器工作狀態(tài)的檢查，便于將故障部位的范圍收縮到是檢相信號(hào)產(chǎn)生電路，還是檢相器本身。

3 故障檢修實(shí)例

1)一臺(tái)E4408B 頻率特性不好，但是沒有任何故障告警。使用軟件進(jìn)行頻響調(diào)整時(shí)能夠通過，但是調(diào)整后故障現(xiàn)象依舊。

故障分析:該儀器的頻率特性是通過調(diào)整第三中頻放大器(21.4 MHz)的增益實(shí)現(xiàn)的。在頻響特性校正時(shí)，程序?qū)⑿盘?hào)源標(biāo)準(zhǔn)和本振設(shè)定在相應(yīng)的點(diǎn)頻上，以功率計(jì)讀值為參考，比對(duì)頻譜儀的測(cè)量值，二者之差作為校準(zhǔn)因子用于改善頻譜儀的頻響。在這一過程中本振信號(hào)的頻率與信號(hào)源應(yīng)該是共頻標(biāo)、同步的，頻譜純度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。

鑒于儀器的故障診斷程序沒有發(fā)現(xiàn)其故障所在，可以判斷儀器各部分的基本工作應(yīng)該是正常的;由頻響特性測(cè)試曲線可以看出，即使在同一頻率點(diǎn)上，測(cè)出的電平值表現(xiàn)為較大的離散性，似乎是有某個(gè)參數(shù)在不停地變化，因此應(yīng)該重點(diǎn)考察混頻器的輸入、輸出信號(hào)。

故障追蹤:考慮到頻譜儀在3 GHz 以上波段是通過YTX 一次將被測(cè)信號(hào)頻率變換到321.4 MHz 第二中頻信號(hào)，且頻譜儀中心頻率在3 GHz 時(shí)使用的是YTO的基波信號(hào)，變頻次數(shù)小，因此將8757D 信號(hào)源的輸出信號(hào)置于3 GHz/-10 dBm 并送給頻譜儀，置頻譜儀中心頻率于3 GHz，SPAN 為0 Hz。用另一臺(tái)頻譜儀監(jiān)測(cè)YTX 的IF 信號(hào)，發(fā)現(xiàn)頻率為321.4 MHz，但是頻譜雜散很大。監(jiān)測(cè)LO 信號(hào)時(shí)發(fā)現(xiàn)頻譜不純，伴隨有不規(guī)則雜散跳動(dòng)。因此可以確定頻率合成器有故障。

用頻譜儀檢測(cè)100 MHz 參考信號(hào)的頻譜，發(fā)現(xiàn)存在雜散現(xiàn)象。給頻譜儀外接10 MHz 頻標(biāo)，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象依舊。因此可以確定100 MHz VCXO 存在故障。鑒于100 MHz VCXO 能夠鎖相，僅是輸出信號(hào)頻譜純度不好，因此應(yīng)重點(diǎn)檢查其調(diào)諧電壓及變?nèi)荻O管的工作狀態(tài)。測(cè)量發(fā)現(xiàn)調(diào)諧偏置電阻R7(如圖2所示)上壓降過大，分割測(cè)試后確認(rèn)限幅管CR36 已處于雪崩擊穿狀態(tài)。正是限幅管CR36 的這種狀態(tài)產(chǎn)生了大量噪聲，擾動(dòng)了100 MHz 信號(hào)的頻譜純度，繼而引起了本振源的幅度不規(guī)則跳變，使得頻響調(diào)整失去了作用。

更換CR36 后本振信號(hào)恢復(fù)正常。

圖2 100 MHz VCXO 調(diào)諧電路局部電路圖

鑒于前期的頻響調(diào)整是在本振存在故障的情況下進(jìn)行的，校準(zhǔn)因子離群的情況較多，必須重做頻響調(diào)整。按頻響要求配置測(cè)試平臺(tái)，啟動(dòng)頻響校準(zhǔn)程序。程序運(yùn)行完畢后，做頻響測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明在26.5 GHz 的全頻帶范圍內(nèi)，其相位噪聲、平坦度、絕對(duì)電平不確定度、相對(duì)電平不確定度均恢復(fù)到了出廠水平，儀器恢復(fù)正常。

2)一臺(tái)E4408B 出現(xiàn)的故障提示為L(zhǎng)O Unlock，LO Unleveled

故障分析:該儀器的故障現(xiàn)象極為明顯，對(duì)應(yīng)故障代碼可直接確定為YTO 環(huán)路有故障。但是因失鎖引起的不穩(wěn)幅，還是放大器出現(xiàn)問題引起了失鎖，需要進(jìn)一步通過測(cè)試確認(rèn)。

故障追蹤:將頻譜儀SPAN 置于0 Hz，失鎖、不穩(wěn)幅告警立即消失，此時(shí)的中心頻率為13.25 GHz。增加SPAN 到10 MHz，故障告警再次出現(xiàn)。顯然YTO 環(huán)路僅失鎖于某一頻段。將SPAN 再次設(shè)定為0 Hz，將中心頻率向上、下調(diào)整，發(fā)現(xiàn)中心頻率在12.9 ～13.24 GHz 之間存在失鎖、不穩(wěn)幅現(xiàn)象。

在YTO 環(huán)路(如圖3所示)中，相位檢波器的參考頻率是由600 MHz 信號(hào)經(jīng)128 或129 分頻后形成的。YTO 的輸出頻率依次經(jīng)過4 分頻、2 或4 分頻、小數(shù)分頻后送到檢相器。因此應(yīng)先對(duì)相位檢波器的兩個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

圖3 YTO 環(huán)路框圖

將頻譜儀的中心頻率置于13.20 GHz，SPAN 為0 Hz;用另一臺(tái)頻譜儀測(cè)量相位檢波器的輸入信號(hào)。測(cè)量結(jié)果顯示，參考信號(hào)幅度、頻率均正常，而YTO 信號(hào)只是一些雜散信號(hào)。測(cè)4 分頻器U68 的輸入、輸出信號(hào)，發(fā)現(xiàn)該電路無輸出信號(hào)。調(diào)整故障儀器的中心頻率發(fā)現(xiàn)該電路在輸入頻率低于3.475 GHz 以下不能工作，由此導(dǎo)致YTO 環(huán)路失鎖，引起YTO 輸出電平下降。

更換U68 故障告警消失，儀器恢復(fù)正常。

4 小結(jié)

E4408B 的頻率合成器的技術(shù)性能是通過先進(jìn)的電路制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，其工作原理及電路則簡(jiǎn)潔明了，實(shí)施原件維修完全可行;要注重維修手冊(cè)的作用，分析思路清晰、檢修步驟合理可以提高維修效能。

［1］Agilent Technologies.ESA Series Spectrum Analyzers Service Guide［Z］.Agilent Technologies，2001.