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频谱仪的工作原理及常见故障的检修
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1 引 言
频谱分析仪是微波测量中必不可少的测量仪器之一，它能对信号的谐波分量、寄生、交调、噪声边带等进行很直观的测量和分析，因此，广泛应用于微波通信网络、雷达、电子对抗、空间技术、卫星地面站、EMC测试等领域。
2 微波频谱仪的基本工作原理和各主要组件的功能
2．1 微波频谱仪的基本工作原理
为了能动态地观察被测信号的频谱，现代频谱仪大多采用扫频超外差式接收方案，利用扫频第一本振的方法，被测信号经混频后得到固定的中频信号，经不同带宽滤波器后，就能观察到频差较小的两个信号。在宽带外差式频谱仪设计中，为消除镜像和多重响应等干扰，常采用两种方案：第一种是采用预选器；第二种是采用上变频。由于预选器频率受下限限制，宽带频谱仪总是被划分成高、低两个波段。低波段采用高中频的方案，它只要一个固定的低通滤波器而不是可调的低通或带通就可以对镜像进行抑制。高波段采用预选器对输入信号进行预选，有效地抑制镜像。图1是HP859X系列频谱仪的简化原理框图。微波信号经输入衰减器后被分成两路，分别输入到高、低两个波段。
在低波段，频率为9kHz～2．95GHz的信号被切换到第一变频器中的基波混频器部分（MXR1），得到第一中频F1IF（3．9214MHz），F1IF经过第二变频器得到第二中频F2IF（321．4MHz）。高波段，频率为2．75GHz～22GHz的信号被切换到预选器（YTF），预选后的信号输入到第一变频器中的谐波混频器部分（MXR2），得到第二中频F2IF。F2IF经第三变频器变换得到第三中频F3IF（21．4MHz）。在该中频上，对信号进行处理，使信号经不同带宽滤波器的选择，再经过线性及对数放大、检波、数字量化和显示。调谐方程如下：
式中：N为谐波混频次数，F1LO为第一本振频率，F2LO为第二本振频率，FRF为输入信号频率。
2．2 各主要组件的功能
输入衰减器是0～70dB；以10dB步进的程控衰减器，主要用途是扩大频谱仪的幅度测量范围，使幅度测量上限扩展到＋30dBm。它不但用于保护第一变频器过载，并且用于优化混频器电平以实现最大的测量动态范围。该衰减器的默认状态设置是10dB，用于改善频谱仪和被测源之间的匹配。
第一本振采用YIG调谐振荡器（YTO），它具有主线圈和副线圈两个控制端口，改变流过线圈中的电流的大小就可以改变输出频率。扫频是利用一个斜波信号加在YTO驱动电路上来实现的。它提供的频率范围为3～6．8GHz，用于驱动第一变频器；扫描斜波发生器产生－10V～＋10V的扫描电压，变换成斜波电流后，用于驱动YTO的扫频。通常利用跟踪锁频技术或频率合成技术，将本振锁定在参考源上，以提高本振的调谐准确度和稳定度。
变频器的作用就是将微波信号变换成低频，对于频率范围为9kHz～22GHz的宽带频谱仪，它的第一变频器中包含有两个混频器，一个是用于低波段的基波混频器，另一个是用于高波段的谐波混频器。变频器中还包括6dB衰减器、单刀双掷开关及匹配网络等。它们分别在石英和陶瓷衬底上，是采用微带技术与集总元件相结合来实现的。因此，第一变频器是宽带频谱仪中最关键的微波部件之一。
第二变频器主要完成第一中频到第二中频的变换。本振频率是3．6GHz，它由600MHz倍频获得。第三变频器将第二中频变换到第三中频，其本振为300MHz。步进增益放大器对第三中频信号进行放大，主要用于参考电平和衰减器变化时整机增益的调整。带宽滤波器可以提供3MHz～30Hz以1、3、5为步进的多种不同的分辨率带宽。
调谐滤波器（YTF），用于预选信号，该器件是宽带微波器件，具有30kHz的滤波带宽，设计上总是被第一本振所调谐，并有一个固定的频差（F2IF）。
对数放大器是将信号作对数处理，扩大测量显示动态范围。交流信号由检波器转化为视频信号，再进行数字量化。经过各种运算得到的测量结果输出在显示器上。
3 频谱仪的校准
HP859X系列频谱仪最大的特点就是利用其强大的软件功能来弥补其硬件设计上的不足，不但减少了硬件设计，而且还减少了硬件的调试环节。
3．1 频谱仪的校准程序
仪器内部计算机设有三个常用校准程序：频率校准、幅度校准和预选器（YTF）校准。
3．1．1 频率校准
当频谱仪经过振动、运输、长时间放置或大的环境温度变化时，频谱仪频率调谐会发生变化，带来频率测量误差，严重时会出现测量信号左右晃动的现象，通过频率校准可以排除该现象。校准的过程主要是以300MHz信号为参考信号，对频谱仪的扫描时间、中心频率、跨度（扫宽）、YIG主线圈延迟、副线圈灵敏度、扫频灵敏度进行误差校准，使频谱仪频率调谐范围正常。
校准方法是：用频率／幅度校准电缆，将校准信号（CAL OUTPUT）接入频谱仪的信号输入端。按【CAL】〔CALFREQ〕，频谱仪进入频率校准程序。校准结束后，屏幕上出现"CALDONE"信息，按〔CALSTORE〕键将校准数据存储在仪器的E2PROM中。
3．1．2 幅度校准
与频率校准一样，当频谱仪测量幅度准确度发生变化时，通过幅度校准程序可以使仪器满足出厂指标，过程主要是以300MHz信号为参考信号，对频谱仪的整个通道幅度、分辨带宽滤波器、对数放大器、以及输入衰减器等幅度进行误差测量并校正。
校准方法是：用频率／幅度校准电缆，将校准信号（CAL OUTPUT）接入频谱仪的信号输入端。按【CAL】〔CALAMP〕，频谱仪进入幅度校准程序。校准结束后，屏幕上出现"CALDONE"信息，按〔CALSTORE〕键将校准数据存储在仪器的E2PROM中。
3．1．3 预选器（YTF）校准
预选器的扫频和跟踪是频谱仪谐波波段的关键。该机设计上采用了和第一本振相互独立的驱动电路，对各波段分别校准和驱动。在频谱仪快扫、慢扫、跨波段扫时，对第一振荡器和预选器的磁滞、延迟进行补偿，大大地改善了YTF的跟踪特性。如果频谱仪在谐波波段上有5dB或更大的幅度误差，往往是仪器放置时间较长，环境温度变化较大所造成的。预选跟踪器不良会造成幅度测量误差，甚至测不到信号，此时应该进行YTF校准。
校准方法是：用YTF校准电缆，将100MHz梳状波（COMB）信号接到频谱仪的RF输入端。按【CAL】〔CALYTF〕，频谱仪进入YTF校准程序。校准结束后，屏幕上出现"CALDONE"信息，按〔CALSTORE〕键将校准数据存储在仪器的E2PROM中。
如果在校准期间退出或校准不能完成出现错误信号，按〔CALFETCH〕取回校准数据。这时仪器将需要重新调整和修理。
3．2 频谱仪校准后的校准数据
HP859X系列频谱仪不仅能对仪器各种指标进行校准，而且还能将各种校准数据存贮在内存里，便于操作和维修人员进行参考。只要进入维修菜单，就能将校准数据显示出来。具体步骤是：按下菜单〔CAL〕，（MORE），（MORE），（SERVICEDIAG），（DISPLAYCALDATA），这时频谱仪的幅度校准表将显示在屏幕上，如表1所示。表1是HP8593E频谱仪出厂的典型幅度校准数据表。
表中含有输入衰减器（RFATN）衰减量为0～70dB以10dB为步进的各档幅度误差修正值，对数放大器（LOG）放大量为0～50dB以10dB为步进的各档幅度误差修正值，线性放大器（LIN）放大量为10～40dBm以10dB为步进的各档幅度误差修正值，分辨率带宽放大器（BWAMP）以1、3、10为带宽为步进的各档幅度误差修正值；频谱仪整个通道增益（GAIN）修正值，增益修正值是以DAC的形式来表示的，修正值最小为0，最大为255等。这张幅度校准表，我们不但能分析频谱仪中各硬件电路的性能指标，而且还能给维修仪器带来一定的方便。频谱仪内部计算机对幅度修正的能力最大为±2．2dBm，DAC的修正值最大为255，如果频谱仪在作幅度校准过程中，各类误差修正值超过±2．2dBm，DAC的修正值最大为255，则校准不能完成，频谱仪屏幕上将出现错误信息。
4 故障检修
本人在维修数十台HP859X系列频谱仪的过程中，发现大多数故障都出现在频谱仪测量信号不正确上，因篇幅有限，本文将重点介绍HP859X系列频谱仪测量信号幅度不正确的故障检修方法，并借助幅度校准表来进行故障定位。
首先对频谱仪的基本功能进行检查，将频谱仪前面板上频率为300MHz、幅度为－20dBm的校准信号用射频电缆连接到频谱仪的输入端，按下〔FREQUENCY〕，〔3〕，〔0〕，〔0〕，〔MHz〕；〔SPAN〕，〔1〕，〔0〕，〔MHz〕，这时频谱仪的显示屏幕上正常显示的是频率为300MHz、幅度为－20dBm的一根谱线，并作频率、幅度校准，若校准通过，说明频谱仪基本工作正常。如果测量幅度较低或较高，且幅度校准通不过的话，则说明频谱仪出现故障，需进行调整或修理后，方能正常使用。现代程控仪器大多都有自诊断功能，尤其是HP859X系列频谱仪，在作校准的过程中，如果检测到其中某一功能不正常的话，频谱仪将立即停止自校准，同时显示错误信息。在作幅度校准过程中，常出现以下三种错误信息："CAL GAIN FAIL"、"CALSIGNAL NOT FOUND"、"CAL：RES BW AMPLFAIL"，本文就以上述三种错误信息来分析HP859X系列频谱仪幅度故障的检修方法。
（1）故障信息"CALGAIN FAIL"
该故障信息表明仪器在幅度校准过程中，检测增益明显降低，补偿到最大值亦不能达到指标，这时仪器校准停止，并将错误信息"CALGAIN FAIL"显示在屏幕上，该故障性质属整个通道增益问题，根据仪器原理框图可知，产生故障的部件主要有：射频部分（输入衰减器、第一混频器、第二混频器、YTO、信号控制板）、中频部分（第三混频器、分辨率带宽电路、幅度控制电路、对数放大器）等部件。
首先调出幅度校准表，发现增益补偿DAC值为255，说明增益已经补偿最大值，可初步判断仪器硬件有故障；由于该故障牵涉的部件较多，逐一检查速度很慢，不利于提高维修效率，第二步就是对故障进行隔离，将故障定位在射频部分或在中频部分，具体方法是：将前面板校准信号连接到频谱仪的输入端，用另一台频谱仪测量第二混频器的输出信号，此时所测量的正常信号频率应为321．4MHz，幅度为－50dBm±2dBm。若测量值远远低于正常值，可以判定仪器的故障出现在射频部分，反之则在中频部分。笔者经过维修实践，发现此类故障90％以上是射频部分故障，故障最多的部件是输入衰减器、第一混频器及YTO。
（2）故障信息"CALSIGNALNOTFOUND"
该故障信息表明仪器在作幅度校准过程中没有发现校准信号。该类故障的检查步骤为：检查校准信号与信号输入端之间的射频电缆是否连接完好、校准信号输出是否正常、第二混频器的输出信号是否正常等。此类故障多为频谱仪中第一混频器故障。
（3）故障信息"CAL：RESBW AMPLFAIL"
该故障信息表示仪器在作分辨率带宽滤波器幅度增益校准时，其中一档或几档滤波器的幅度误差超过2．2dBm，计算机仪器内部靠软件补偿也不行。此时若调出幅度校准补偿数据，可以观察到分辨率带宽（BWAMP）数据表那栏的补偿数据将至少有一个误差数据超过2．2，说明该档分辨率带宽滤波器的幅度增益误差太大，此类故障只要作分辨率带宽幅度调整即可解决。
5 结束语
本文着重介绍了HP859X系列频谱仪的基本工作原理，和一些常见故障的维修方法，笔者在维修仪器过程中最大的体会是，要维修该类仪器，主要是要了解仪器的工作原理、仪器的原理框图、信号流程以及正确的维修方法，才能提高维修效率。
频谱分析仪是微波测量中必不可少的测量仪器之一，它能对信号的谐波分量、寄生、交调、噪声边带等进行很直观的测量和分析，因此，广泛应用于微波通信网络、雷达、电子对抗、空间技术、卫星地面站、EMC测试等领域。
2 微波频谱仪的基本工作原理和各主要组件的功能
2．1 微波频谱仪的基本工作原理
为了能动态地观察被测信号的频谱，现代频谱仪大多采用扫频超外差式接收方案，利用扫频第一本振的方法，被测信号经混频后得到固定的中频信号，经不同带宽滤波器后，就能观察到频差较小的两个信号。在宽带外差式频谱仪设计中，为消除镜像和多重响应等干扰，常采用两种方案：第一种是采用预选器；第二种是采用上变频。由于预选器频率受下限限制，宽带频谱仪总是被划分成高、低两个波段。低波段采用高中频的方案，它只要一个固定的低通滤波器而不是可调的低通或带通就可以对镜像进行抑制。高波段采用预选器对输入信号进行预选，有效地抑制镜像。图1是HP859X系列频谱仪的简化原理框图。微波信号经输入衰减器后被分成两路，分别输入到高、低两个波段。
在低波段，频率为9kHz～2．95GHz的信号被切换到第一变频器中的基波混频器部分（MXR1），得到第一中频F1IF（3．9214MHz），F1IF经过第二变频器得到第二中频F2IF（321．4MHz）。高波段，频率为2．75GHz～22GHz的信号被切换到预选器（YTF），预选后的信号输入到第一变频器中的谐波混频器部分（MXR2），得到第二中频F2IF。F2IF经第三变频器变换得到第三中频F3IF（21．4MHz）。在该中频上，对信号进行处理，使信号经不同带宽滤波器的选择，再经过线性及对数放大、检波、数字量化和显示。调谐方程如下：
式中：N为谐波混频次数，F1LO为第一本振频率，F2LO为第二本振频率，FRF为输入信号频率。
2．2 各主要组件的功能
输入衰减器是0～70dB；以10dB步进的程控衰减器，主要用途是扩大频谱仪的幅度测量范围，使幅度测量上限扩展到＋30dBm。它不但用于保护第一变频器过载，并且用于优化混频器电平以实现最大的测量动态范围。该衰减器的默认状态设置是10dB，用于改善频谱仪和被测源之间的匹配。
第一本振采用YIG调谐振荡器（YTO），它具有主线圈和副线圈两个控制端口，改变流过线圈中的电流的大小就可以改变输出频率。扫频是利用一个斜波信号加在YTO驱动电路上来实现的。它提供的频率范围为3～6．8GHz，用于驱动第一变频器；扫描斜波发生器产生－10V～＋10V的扫描电压，变换成斜波电流后，用于驱动YTO的扫频。通常利用跟踪锁频技术或频率合成技术，将本振锁定在参考源上，以提高本振的调谐准确度和稳定度。
变频器的作用就是将微波信号变换成低频，对于频率范围为9kHz～22GHz的宽带频谱仪，它的第一变频器中包含有两个混频器，一个是用于低波段的基波混频器，另一个是用于高波段的谐波混频器。变频器中还包括6dB衰减器、单刀双掷开关及匹配网络等。它们分别在石英和陶瓷衬底上，是采用微带技术与集总元件相结合来实现的。因此，第一变频器是宽带频谱仪中最关键的微波部件之一。
第二变频器主要完成第一中频到第二中频的变换。本振频率是3．6GHz，它由600MHz倍频获得。第三变频器将第二中频变换到第三中频，其本振为300MHz。步进增益放大器对第三中频信号进行放大，主要用于参考电平和衰减器变化时整机增益的调整。带宽滤波器可以提供3MHz～30Hz以1、3、5为步进的多种不同的分辨率带宽。
调谐滤波器（YTF），用于预选信号，该器件是宽带微波器件，具有30kHz的滤波带宽，设计上总是被第一本振所调谐，并有一个固定的频差（F2IF）。
对数放大器是将信号作对数处理，扩大测量显示动态范围。交流信号由检波器转化为视频信号，再进行数字量化。经过各种运算得到的测量结果输出在显示器上。
3 频谱仪的校准
HP859X系列频谱仪最大的特点就是利用其强大的软件功能来弥补其硬件设计上的不足，不但减少了硬件设计，而且还减少了硬件的调试环节。
3．1 频谱仪的校准程序
仪器内部计算机设有三个常用校准程序：频率校准、幅度校准和预选器（YTF）校准。
3．1．1 频率校准
当频谱仪经过振动、运输、长时间放置或大的环境温度变化时，频谱仪频率调谐会发生变化，带来频率测量误差，严重时会出现测量信号左右晃动的现象，通过频率校准可以排除该现象。校准的过程主要是以300MHz信号为参考信号，对频谱仪的扫描时间、中心频率、跨度（扫宽）、YIG主线圈延迟、副线圈灵敏度、扫频灵敏度进行误差校准，使频谱仪频率调谐范围正常。
校准方法是：用频率／幅度校准电缆，将校准信号（CAL OUTPUT）接入频谱仪的信号输入端。按【CAL】〔CALFREQ〕，频谱仪进入频率校准程序。校准结束后，屏幕上出现"CALDONE"信息，按〔CALSTORE〕键将校准数据存储在仪器的E2PROM中。
3．1．2 幅度校准
与频率校准一样，当频谱仪测量幅度准确度发生变化时，通过幅度校准程序可以使仪器满足出厂指标，过程主要是以300MHz信号为参考信号，对频谱仪的整个通道幅度、分辨带宽滤波器、对数放大器、以及输入衰减器等幅度进行误差测量并校正。
校准方法是：用频率／幅度校准电缆，将校准信号（CAL OUTPUT）接入频谱仪的信号输入端。按【CAL】〔CALAMP〕，频谱仪进入幅度校准程序。校准结束后，屏幕上出现"CALDONE"信息，按〔CALSTORE〕键将校准数据存储在仪器的E2PROM中。
3．1．3 预选器（YTF）校准
预选器的扫频和跟踪是频谱仪谐波波段的关键。该机设计上采用了和第一本振相互独立的驱动电路，对各波段分别校准和驱动。在频谱仪快扫、慢扫、跨波段扫时，对第一振荡器和预选器的磁滞、延迟进行补偿，大大地改善了YTF的跟踪特性。如果频谱仪在谐波波段上有5dB或更大的幅度误差，往往是仪器放置时间较长，环境温度变化较大所造成的。预选跟踪器不良会造成幅度测量误差，甚至测不到信号，此时应该进行YTF校准。
校准方法是：用YTF校准电缆，将100MHz梳状波（COMB）信号接到频谱仪的RF输入端。按【CAL】〔CALYTF〕，频谱仪进入YTF校准程序。校准结束后，屏幕上出现"CALDONE"信息，按〔CALSTORE〕键将校准数据存储在仪器的E2PROM中。
如果在校准期间退出或校准不能完成出现错误信号，按〔CALFETCH〕取回校准数据。这时仪器将需要重新调整和修理。
3．2 频谱仪校准后的校准数据
HP859X系列频谱仪不仅能对仪器各种指标进行校准，而且还能将各种校准数据存贮在内存里，便于操作和维修人员进行参考。只要进入维修菜单，就能将校准数据显示出来。具体步骤是：按下菜单〔CAL〕，（MORE），（MORE），（SERVICEDIAG），（DISPLAYCALDATA），这时频谱仪的幅度校准表将显示在屏幕上，如表1所示。表1是HP8593E频谱仪出厂的典型幅度校准数据表。
表中含有输入衰减器（RFATN）衰减量为0～70dB以10dB为步进的各档幅度误差修正值，对数放大器（LOG）放大量为0～50dB以10dB为步进的各档幅度误差修正值，线性放大器（LIN）放大量为10～40dBm以10dB为步进的各档幅度误差修正值，分辨率带宽放大器（BWAMP）以1、3、10为带宽为步进的各档幅度误差修正值；频谱仪整个通道增益（GAIN）修正值，增益修正值是以DAC的形式来表示的，修正值最小为0，最大为255等。这张幅度校准表，我们不但能分析频谱仪中各硬件电路的性能指标，而且还能给维修仪器带来一定的方便。频谱仪内部计算机对幅度修正的能力最大为±2．2dBm，DAC的修正值最大为255，如果频谱仪在作幅度校准过程中，各类误差修正值超过±2．2dBm，DAC的修正值最大为255，则校准不能完成，频谱仪屏幕上将出现错误信息。
4 故障检修
本人在维修数十台HP859X系列频谱仪的过程中，发现大多数故障都出现在频谱仪测量信号不正确上，因篇幅有限，本文将重点介绍HP859X系列频谱仪测量信号幅度不正确的故障检修方法，并借助幅度校准表来进行故障定位。
首先对频谱仪的基本功能进行检查，将频谱仪前面板上频率为300MHz、幅度为－20dBm的校准信号用射频电缆连接到频谱仪的输入端，按下〔FREQUENCY〕，〔3〕，〔0〕，〔0〕，〔MHz〕；〔SPAN〕，〔1〕，〔0〕，〔MHz〕，这时频谱仪的显示屏幕上正常显示的是频率为300MHz、幅度为－20dBm的一根谱线，并作频率、幅度校准，若校准通过，说明频谱仪基本工作正常。如果测量幅度较低或较高，且幅度校准通不过的话，则说明频谱仪出现故障，需进行调整或修理后，方能正常使用。现代程控仪器大多都有自诊断功能，尤其是HP859X系列频谱仪，在作校准的过程中，如果检测到其中某一功能不正常的话，频谱仪将立即停止自校准，同时显示错误信息。在作幅度校准过程中，常出现以下三种错误信息："CAL GAIN FAIL"、"CALSIGNAL NOT FOUND"、"CAL：RES BW AMPLFAIL"，本文就以上述三种错误信息来分析HP859X系列频谱仪幅度故障的检修方法。
（1）故障信息"CALGAIN FAIL"
该故障信息表明仪器在幅度校准过程中，检测增益明显降低，补偿到最大值亦不能达到指标，这时仪器校准停止，并将错误信息"CALGAIN FAIL"显示在屏幕上，该故障性质属整个通道增益问题，根据仪器原理框图可知，产生故障的部件主要有：射频部分（输入衰减器、第一混频器、第二混频器、YTO、信号控制板）、中频部分（第三混频器、分辨率带宽电路、幅度控制电路、对数放大器）等部件。
首先调出幅度校准表，发现增益补偿DAC值为255，说明增益已经补偿最大值，可初步判断仪器硬件有故障；由于该故障牵涉的部件较多，逐一检查速度很慢，不利于提高维修效率，第二步就是对故障进行隔离，将故障定位在射频部分或在中频部分，具体方法是：将前面板校准信号连接到频谱仪的输入端，用另一台频谱仪测量第二混频器的输出信号，此时所测量的正常信号频率应为321．4MHz，幅度为－50dBm±2dBm。若测量值远远低于正常值，可以判定仪器的故障出现在射频部分，反之则在中频部分。笔者经过维修实践，发现此类故障90％以上是射频部分故障，故障最多的部件是输入衰减器、第一混频器及YTO。
（2）故障信息"CALSIGNALNOTFOUND"
该故障信息表明仪器在作幅度校准过程中没有发现校准信号。该类故障的检查步骤为：检查校准信号与信号输入端之间的射频电缆是否连接完好、校准信号输出是否正常、第二混频器的输出信号是否正常等。此类故障多为频谱仪中第一混频器故障。
（3）故障信息"CAL：RESBW AMPLFAIL"
该故障信息表示仪器在作分辨率带宽滤波器幅度增益校准时，其中一档或几档滤波器的幅度误差超过2．2dBm，计算机仪器内部靠软件补偿也不行。此时若调出幅度校准补偿数据，可以观察到分辨率带宽（BWAMP）数据表那栏的补偿数据将至少有一个误差数据超过2．2，说明该档分辨率带宽滤波器的幅度增益误差太大，此类故障只要作分辨率带宽幅度调整即可解决。
5 结束语
本文着重介绍了HP859X系列频谱仪的基本工作原理，和一些常见故障的维修方法，笔者在维修仪器过程中最大的体会是，要维修该类仪器，主要是要了解仪器的工作原理、仪器的原理框图、信号流程以及正确的维修方法，才能提高维修效率。
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