E4408B頻譜分析儀頻率合成器的故障檢修

唐德平，徐向明

(中國電子科技集團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重要組成部分，對頻譜儀的靈敏度、相位噪聲、分辨帶寬、頻率準確度、頻率響應等技術指標有著決定性的影響。E4408B頻譜分析儀的頻率合成器由兩個鎖相環路組成:一個點頻鎖相環路，將100 MHz VCXO(壓控振蕩器)鎖相于10 MHz 頻標信號，使得儀器的本振頻率準確度和穩定度達到設計的技術要求，并通過倍頻形成二本振信號(3.6 GHz)、三本振信號(300 MHz);一個小數分頻鎖相環路，將YTO(調諧振蕩器)的輸出頻率間接鎖相于頻標，這個環路只在頻譜儀SPAN 為0 時工作于點頻狀態，否則它只在掃描的起始頻率上鎖相，鎖后環路斷開工作于掃描狀態，掃寬由SPAN 設定值決定，YTO 的初始頻率設定值、小數分頻模值均由程序控制。YTO 輸出信號經過放大器放大后作為本振信號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)，同時經耦合器饋送到功率分配放大器放大后，作為本振信號送到YTX(調諧混頻器，用于2.9 ～26.5 GHz 頻帶)。第一本振信號可能是YTO 信號的基波，YTX 的本振信號是YTO 信號的一次或二次、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，FMDRIVE 為調頻驅動，MAINDRIVE 為主驅動，YTO 為調諧振蕩器，YTX 為壓控振蕩器，FRETUNE 為預調，FRAN 為小數分頻器。

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

該儀器內部電路上有若干監測點，其故障診斷程序通過對這些點進行掃描檢測確定某些電路的工作狀態，發現故障后會在顯示屏上顯示相應的故障提示，參照儀器的維修手冊［1］基本可以確定故障的大致部位。這一功能對于頻率合成器部分的故障診斷作用尤為突出，因此應首先利用儀器的故障診斷功能，以簡化維修步驟。

2)應遵從先點頻后掃頻的步驟，考察頻率合成器的工作狀態

通過頻率合成器的工作原理可以看出點頻狀態下影響鎖相環路工作的因素相對較少，此時YTO 的預設值和小數分頻模值固定不變，這對于測試非常有利，而且點頻狀態能夠反映出鎖相環路的基本工作情況。一旦確認點頻狀態正常，可通過逐步加大SPAN 值的方式檢查小數分頻鎖相環路的工作狀態。事實上，由于環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上出現異常，從而引起環路失鎖，不仔細觀察可能錯過了對故障點的檢查。

3)用鑒相器輸入信號選一法壓縮鎖相環路的故障點

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

3 故障檢修實例

1)一臺E4408B 頻率特性不好，但是沒有任何故障告警。使用軟件進行頻響調整時能夠通過，但是調整后故障現象依舊。

故障分析:該儀器的頻率特性是通過調整第三中頻放大器(21.4 MHz)的增益實現的。在頻響特性校正時，程序將信號源標準和本振設定在相應的點頻上，以功率計讀值為參考，比對頻譜儀的測量值，二者之差作為校準因子用于改善頻譜儀的頻響。在這一過程中本振信號的頻率與信號源應該是共頻標、同步的，頻譜純度對測量結果影響較大。

鑒于儀器的故障診斷程序沒有發現其故障所在，可以判斷儀器各部分的基本工作應該是正常的;由頻響特性測試曲線可以看出，即使在同一頻率點上，測出的電平值表現為較大的離散性，似乎是有某個參數在不停地變化，因此應該重點考察混頻器的輸入、輸出信號。

故障追蹤:考慮到頻譜儀在3 GHz 以上波段是通過YTX 一次將被測信號頻率變換到321.4 MHz 第二中頻信號，且頻譜儀中心頻率在3 GHz 時使用的是YTO的基波信號，變頻次數小，因此將8757D 信號源的輸出信號置于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。用另一臺頻譜儀監測YTX 的IF 信號，發現頻率為321.4 MHz，但是頻譜雜散很大。監測LO 信號時發現頻譜不純，伴隨有不規則雜散跳動。因此可以確定頻率合成器有故障。

用頻譜儀檢測100 MHz 參考信號的頻譜，發現存在雜散現象。給頻譜儀外接10 MHz 頻標，發現故障現象依舊。因此可以確定100 MHz VCXO 存在故障。鑒于100 MHz VCXO 能夠鎖相，僅是輸出信號頻譜純度不好，因此應重點檢查其調諧電壓及變容二極管的工作狀態。測量發現調諧偏置電阻R7(如圖2所示)上壓降過大，分割測試后確認限幅管CR36 已處于雪崩擊穿狀態。正是限幅管CR36 的這種狀態產生了大量噪聲，擾動了100 MHz 信號的頻譜純度，繼而引起了本振源的幅度不規則跳變，使得頻響調整失去了作用。

更換CR36 后本振信號恢復正常。

圖2 100 MHz VCXO 調諧電路局部電路圖

鑒于前期的頻響調整是在本振存在故障的情況下進行的，校準因子離群的情況較多，必須重做頻響調整。按頻響要求配置測試平臺，啟動頻響校準程序。程序運行完畢后，做頻響測試，測試結果表明在26.5 GHz 的全頻帶范圍內，其相位噪聲、平坦度、絕對電平不確定度、相對電平不確定度均恢復到了出廠水平，儀器恢復正常。

2)一臺E4408B 出現的故障提示為LO Unlock，LO Unleveled

故障分析:該儀器的故障現象極為明顯，對應故障代碼可直接確定為YTO 環路有故障。但是因失鎖引起的不穩幅，還是放大器出現問題引起了失鎖，需要進一步通過測試確認。

故障追蹤:將頻譜儀SPAN 置于0 Hz，失鎖、不穩幅告警立即消失，此時的中心頻率為13.25 GHz。增加SPAN 到10 MHz，故障告警再次出現。顯然YTO 環路僅失鎖于某一頻段。將SPAN 再次設定為0 Hz，將中心頻率向上、下調整，發現中心頻率在12.9 ～13.24 GHz 之間存在失鎖、不穩幅現象。

在YTO 環路(如圖3所示)中，相位檢波器的參考頻率是由600 MHz 信號經128 或129 分頻后形成的。YTO 的輸出頻率依次經過4 分頻、2 或4 分頻、小數分頻后送到檢相器。因此應先對相位檢波器的兩個輸入信號進行檢測。

圖3 YTO 環路框圖

將頻譜儀的中心頻率置于13.20 GHz，SPAN 為0 Hz;用另一臺頻譜儀測量相位檢波器的輸入信號。測量結果顯示，參考信號幅度、頻率均正常，而YTO 信號只是一些雜散信號。測4 分頻器U68 的輸入、輸出信號，發現該電路無輸出信號。調整故障儀器的中心頻率發現該電路在輸入頻率低于3.475 GHz 以下不能工作，由此導致YTO 環路失鎖，引起YTO 輸出電平下降。

更換U68 故障告警消失，儀器恢復正常。

4 小結

E4408B 的頻率合成器的技術性能是通過先進的電路制造技術實現的，其工作原理及電路則簡潔明了，實施原件維修完全可行;要注重維修手冊的作用，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.