微波频谱仪的工作原理及常见故障的检修！

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南京电子技术研究所　沈文娟

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

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 0 0 | 2006-07-06
来源：电子工程师 | 南京电子技术研究所　沈文娟 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。

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 0 0 | 2006-07-06
来源：电子工程师 | 南京电子技术研究所　沈文娟确上，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

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

　　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 0 0 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