對某設備低溫下測頻超差問題的分析和研究

羅紹彬，何魚鑫，萬霏

（西南電子設備研究所，四川成都，610036）

0 引言

頻域參數(shù)是雷達各種特征參數(shù)中最重要的參數(shù)之一，是設備分選和威脅識別的重要依據(jù)[1]，瞬時測頻（IFM）具有較寬的瞬時頻率覆蓋范圍和比較大的瞬時動態(tài)范圍,而且能夠以非常快的速度完成對信號頻率的測量，給出工程所需的測頻精度，同時具有極高的截獲概率，所以瞬時測頻在很多領域電子設備中得了到廣泛的應用[2]。隨著電子設備的使用要求，能在各種溫度環(huán)境中，對頻率信息保持精確的測量非常重要，直接影響電子設備整機性能的發(fā)揮。影響瞬時測頻測量精度的因數(shù)很多，在工程中發(fā)現(xiàn)，溫度的影響是主要原因之一，文章以科研生產(chǎn)單位在實際工程中，整機生產(chǎn)調(diào)試人員對某型電子設備在進行低溫環(huán)境工作試驗，電子設備在低溫工作中，出現(xiàn)了測頻誤差大，超過了技術指標要求的原因進行分析和研究。

1 原理分析

在某型電子設備整機中，負責測頻指標測試的模塊是使用瞬時測頻（IFM）原理設計的，采用微波干涉儀鑒相的方式進行測頻，其工作原理是利用微波信號的干涉現(xiàn)象[3]，如圖1所示。

圖1 微波鑒相器的原理圖

將輸入射頻脈沖信號通過功分器分成兩路其中的一路通過延時線延遲，另一路為直通信號。將延遲和不延遲的兩路進行相關比較，兩路的相位差和輸入射頻信號的載頻值之間有一固定的關系，這就是IFM 組件的工作基礎。關系如下：

（1）式中，φ: 相位差τ：延遲時間f：輸入射頻頻率值

當延遲時間τ 為固定值時，相位差直接與輸入射頻頻率值成比例，這樣將鑒頻轉化為鑒相。再通過鑒相來測頻。

從設計圖上得知，該型瞬時測頻模塊由放大檢波組件和相關器組件和測頻編碼電路組成，其模塊的功能框圖如圖2所示。

圖2 瞬時測頻模塊功能框圖

工作過程：頻信號經(jīng)過放大檢波組件后產(chǎn)生用于鑒相的限幅射頻信號，同時也產(chǎn)生一個檢波同步視頻信號。限幅的射頻信號進入相關器組件，產(chǎn)生幾組鑒相的視頻信號。所有的視頻信號均進入編碼處理電路，編碼處理電路通過AD 量化對幾組鑒相視頻信號進行頻率信息提取，同時也對放大檢波組件送出的檢波視頻信號進行信號檢測處理，形成最終的同步信號。

該型測頻模塊采用了干涉儀鑒相的方式，核心關鍵的微波參數(shù)為相位，而微波器件（包括延遲電纜）的相位參數(shù)容易隨著溫度發(fā)生變化。因此目前的瞬時測頻模塊通過位于信號處理電路上的測溫電路單元來判斷周圍的環(huán)境溫度，再根據(jù)所測溫度形成一定溫度區(qū)間下的溫度校碼，將所發(fā)生的測頻誤差進行相應的修正，以此滿足瞬時測頻模塊的測頻精度的要求。

2 故障分析及定位

綜合上述瞬時測頻模塊工作原理的分析，造成測頻精度超差的原因進行羅列，可能導致測頻精度超差的原因有：供電輸入異常、測頻前端模塊輸出信號頻率不正確、射頻電纜損壞、信號處理電路輸出單元異常、相關器檢波無輸出、延遲電纜相位變、化碼表生成錯誤等，下逐一進行分析。

2.1 供電輸入異常

瞬時測頻模塊的供電方式為機外供電，由電子設備整機母版上提供三組電源，分別為+12V、+5V、-5V。如果其中的某一路或者幾路電源無輸入或者是電壓值不正常均會導致整個瞬時測頻模塊工作不正常，從而導致瞬時測頻模塊測頻精度超差，因此首先檢查整機提供的電壓是否正常，經(jīng)檢查母板插座輸出地電源，確認+12V、+5V、-5V 電源輸入正常，因此排除由供電造成故障的可能性。

2.2 測頻前端模塊輸出信號頻率不正確

瞬時測頻模塊的輸入信號是由測頻前端送入的，如果測頻前端輸入信號頻率不正確將會導致瞬時測頻模塊測頻精度超差，所以跳過測頻前端模塊，直接從信號源送信號進入瞬時測頻模塊故障現(xiàn)象未發(fā)生改變，因此排除由于輸入信號異常導致瞬時測頻模塊測頻精度超差的故障。

2.3 射頻電纜損壞

將瞬時測頻模塊盒體蓋板拆開，檢查連接盒體面板插座和IFM 通用模塊之間的射頻電纜用頻譜儀進行測量在有測頻精度超差的頻率點插損正常，可以排除射頻電纜損壞導致測頻精度超差故障。

2.4 信號處理電路輸出單元異常

根據(jù)上述原理進行分析信號處理電路由于擔負將量化電平按照統(tǒng)一的編碼方式編成一組有序的二進制碼的工作，如果出錯將導致測頻精度超差的故障發(fā)生，信號處理電路輸出單元異常模式是13 位有個別位輸出始終為高電平或者低電平，經(jīng)全面測量整個工作頻段內(nèi)各個頻率，確認13 位頻率碼的均為有序的高低變化，不存在上述現(xiàn)象，因此排除信號處理電路輸出異常導致測頻精度超差的故障。

2.5 相關器檢波無輸出

瞬時測頻模塊內(nèi)部相關器損壞同樣能夠造成測頻精度超差，檢查瞬時測頻模塊輸出的13 位頻率碼每一位的變換規(guī)律均與輸出該路頻率碼的相關器的變化周期一致，確認無檢波器損壞導致的周期數(shù)變化的情況，因此排除了這一個可能。

2.6 延遲電纜相位變化

延遲電纜存在溫度情況下的相位變化，通過對兩個極端溫度環(huán)境低溫（-55℃）、高溫（+70℃）下對模塊進行獨立測試，均未發(fā)現(xiàn)測頻精度超差，也就是說延遲電纜的相位變化在溫度校碼的控制范圍之內(nèi)，因此排除了排本故障。

2.7 碼表生成錯誤

通過復查故障件測頻模塊調(diào)試原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在進行全溫數(shù)據(jù)合成時，數(shù)據(jù)合成發(fā)生了錯誤，內(nèi)部數(shù)據(jù)少了-20℃的數(shù)據(jù)，如圖3 所示，在2000～3000 區(qū)域內(nèi)應該裝載“低溫碼表1”的數(shù)據(jù)，結果把-55℃溫區(qū)數(shù)據(jù)當成-20℃數(shù)據(jù)，導致系統(tǒng)測頻校準誤差變大，使得在整機低溫環(huán)境試驗工作時，測頻精度超差。

圖3 碼表生成錯誤示意圖

2.8 故障定位結論

碼表生成時發(fā)生了錯誤，把-55℃溫區(qū)數(shù)據(jù)當成-20℃數(shù)據(jù)合成了，直接導致在整機試驗時，低溫下測頻精度超差。

3 機理分析

電纜由于其應用不同，內(nèi)部介質(zhì)不同，在工作溫度范圍內(nèi)的每個溫度點所反應的電長度變化特性也不同，相位發(fā)生變化[3]。鑒于瞬時測頻模塊采用了干涉儀鑒相的方式，核心關鍵的微波參數(shù)為相位，而延遲電纜的相位參數(shù)容易隨著溫度發(fā)生變化。延遲線電纜相位發(fā)生變化，鑒相組件輸出的脈沖信號的幅度也會發(fā)生變化，進而造成采樣量化出來的頻率碼改變，因此隨著延遲線電纜相位發(fā)生變化，測頻精度超差[4]。

在設備進行環(huán)境試驗時，采用外部供液的方式，對電子設備工作提供冷卻。這個液冷對于-55℃環(huán)境下，實際效果變成了加熱。因此在進行整機低溫試驗時一旦啟動液冷，便將模塊的溫度迅速提升。測頻模塊實際溫度在-20℃左右。由于模塊在調(diào)試階段碼表數(shù)據(jù)未在-20℃進行溫度碼校準，生成時就會發(fā)生錯誤，把-55℃溫區(qū)數(shù)據(jù)當成-20℃數(shù)據(jù)合成了，直接導致在整機試驗時，低溫下測頻精度超差。

為了驗證瞬時測頻模塊低溫測頻超差的現(xiàn)象，進行問題復現(xiàn)：(1）將出現(xiàn)故障的瞬時測頻模塊裝入整機中進行低溫工作試驗，在整機不開啟液冷的情況下，測頻精度不超差。開啟液冷，測頻均方根值不滿足指標要求。(2）將瞬時測頻模塊單獨進行低溫工作試驗，溫箱溫度設為-20℃時，測頻均方根值同樣不滿足指標要求。

4 方法與驗證

根據(jù)以上分析，減少此類故障的發(fā)生，進行高低溫摸底，摸底溫度除+70℃和-55℃，再增加一個-20℃溫度環(huán)境，在不同的環(huán)境溫度下進行溫度校碼（校碼可重新匹配頻率和對應的相位），形成獨立溫區(qū)數(shù)據(jù)，校碼完成后進行驗證：(1）按照整機的環(huán)境試驗條件進行測頻模塊摸底測試，測量的測頻精度的滿足要求。(2）將瞬時測頻模塊裝入整機中，再次進行低溫環(huán)境試驗，在整機工作中測試，測頻精度滿足的技術指標要求。(3）按照上述方法，在不同的生產(chǎn)批次中，抽取10 件測頻模塊，完成溫度校碼并進行測試，測試結果是測頻精度全部滿足指標要求。

5 結束語

通過以上分析、驗證，考慮溫度因數(shù)，采取以上措施，并在后續(xù)大批量的使用中，未發(fā)現(xiàn)類似問題。使用此方法，滿足設備在不同溫度環(huán)境下正常使用從而提高了設備的環(huán)境適應能。為工程應用提拱了一種可用的方法。