微波頻譜儀的工作原理及常見(jiàn)故障的檢修

   

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），F1IF經(jīng)過(guò)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(jìn)行處理，使信號經(jīng)不同帶寬濾波器的選擇，再經(jīng)過(guò)線(xiàn)性及對數放大、檢波、數字量化和顯示。調諧方程如下：

      

式中：N為諧波混頻次數，F1LO為第一本振頻率，F2LO為第二本振頻率，FRF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(jìn)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(guò)載，并且用于優(yōu)化混頻器電平以實(shí)現最大的測量動(dòng)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(xiàn)圈和副線(xiàn)圈兩個(gè)控制端口，改變流過(guò)線(xiàn)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)斜波信號加在YTO驅動(dòng)電路上來(lái)實(shí)現的。它提供的頻率范圍為3～6．8GHz，用于驅動(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，以提高本振的調諧準確度和穩定度。

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(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(kāi)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)與集總元件相結合來(lái)實(shí)現的。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進(jìn)行放大，主要用于參考電平和衰減器變化時(shí)整機增益的調整。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(gè)固定的頻差（F2IF）。

對數放大器是將信號作對數處理，擴大測量顯示動(dòng)態(tài)范圍。交流信號由檢波器轉化為視頻信號，再進(jìn)行數字量化。經(jīng)過(guò)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(diǎn)就是利用其強大的軟件功能來(lái)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。

3．1　頻譜儀的校準程序

儀器內部計算機設有三個(gè)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(guò)振動(dòng)、運輸、長(cháng)時(shí)間放置或大的環(huán)境溫度變化時(shí)，頻譜儀頻率調諧會(huì )發(fā)生變化，帶來(lái)頻率測量誤差，嚴重時(shí)會(huì )出現測量信號左右晃動(dòng)的現象，通過(guò)頻率校準可以排除該現象。校準的過(guò)程主要是以300MHz信號為參考信號，對頻譜儀的掃描時(shí)間、中心頻率、跨度（掃寬）、YIG主線(xiàn)圈延遲、副線(xiàn)圈靈敏度、掃頻靈敏度進(jìn)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（CAL OUTPUT）接入頻譜儀的信號輸入端。按【CAL】〔CALFREQ〕，頻譜儀進(jìn)入頻率校準程序。校準結束后，屏幕上出現“CALDONE”信息，按〔CALSTORE〕鍵將校準數據存儲在儀器的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(shí)，通過(guò)幅度校準程序可以使儀器滿(mǎn)足出廠(chǎng)指標，過(guò)程主要是以300MHz信號為參考信號，對頻譜儀的整個(gè)通道幅度、分辨帶寬濾波器、對數放大器、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(jìn)入幅度校準程序。校準結束后，屏幕上出現“CALDONE”信息，按〔CALSTORE〕鍵將校準數據存儲在儀器的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(guān)鍵。該機設計上采用了和第一本振相互獨立的驅動(dòng)電路，對各波段分別校準和驅動(dòng)。在頻譜儀快掃、慢掃、跨波段掃時(shí)，對第一振蕩器和預選器的磁滯、延遲進(jìn)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(shí)間較長(cháng)，環(huán)境溫度變化較大所造成的。預選跟蹤器不良會(huì )造成幅度測量誤差，甚至測不到信號，此時(shí)應該進(jìn)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(jìn)入YTF校準程序。校準結束后，屏幕上出現“CALDONE”信息，按〔CALSTORE〕鍵將校準數據存儲在儀器的E2PROM中。

如果在校準期間退出或校準不能完成出現錯誤信號，按〔CALFETCH〕取回校準數據。這時(shí)儀器將需要重新調整和修理。

3．2　頻譜儀校準后的校準數據

HP859X系列頻譜儀不僅能對儀器各種指標進(jìn)行校準，而且還能將各種校準數據存貯在內存里，便于操作和維修人員進(jìn)行參考。只要進(jìn)入維修菜單，就能將校準數據顯示出來(lái)。具體步驟是：按下菜單〔CAL〕，（MORE），（MORE），（SERVICEDIAG），（DISPLAYCALDATA），這時(shí)頻譜儀的幅度校準表將顯示在屏幕上，如表1所示。表1是HP8593E頻譜儀出廠(chǎng)的典型幅度校準數據表。

   
   

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(xiàn)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(lái)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(lái)一定的方便。頻譜儀內部計算機對幅度修正的能力最大為

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