E4408B频谱分析仪频率合成器的故障检修

唐德平，徐向明

(中国电子科技集团公司第五十五研究所，江苏南京210016)

1 E4408B 频谱分析仪工作原理

频率合成器是频谱分析仪的一个重要组成部分，对频谱仪的灵敏度、相位噪声、分辨带宽、频率准确度、频率响应等技术指标有着决定性的影响。E4408B频谱分析仪的频率合成器由两个锁相环路组成:一个点频锁相环路，将100 MHz VCXO(压控振荡器)锁相于10 MHz 频标信号，使得仪器的本振频率准确度和稳定度达到设计的技术要求，并通过倍频形成二本振信号(3.6 GHz)、三本振信号(300 MHz);一个小数分频锁相环路，将YTO(调谐振荡器)的输出频率间接锁相于频标，这个环路只在频谱仪SPAN 为0 时工作于点频状态，否则它只在扫描的起始频率上锁相，锁后环路断开工作于扫描状态，扫宽由SPAN 设定值决定，YTO 的初始频率设定值、小数分频模值均由程序控制。YTO 输出信号经过放大器放大后作为本振信号直接送至第一混频器(用于2.9 GHz 以下波段，如图1中A8A6所示)，同时经耦合器馈送到功率分配放大器放大后，作为本振信号送到YTX(调谐混频器，用于2.9 ～26.5 GHz 频带)。第一本振信号可能是YTO 信号的基波，YTX 的本振信号是YTO 信号的一次或二次、三次、四次谐波，随工作波段而变。图1 中，OCXO为恒温晶体管振荡器，LO 为本振，FMDRIVE 为调频驱动，MAINDRIVE 为主驱动，YTO 为调谐振荡器，YTX 为压控振荡器，FRETUNE 为预调，FRAN 为小数分频器。

图1 E4408B 频谱分析仪原理方框图

2 故障检修的基本方法

1)利用仪器的故障诊断功能

该仪器内部电路上有若干监测点，其故障诊断程序通过对这些点进行扫描检测确定某些电路的工作状态，发现故障后会在显示屏上显示相应的故障提示，参照仪器的维修手册［1］基本可以确定故障的大致部位。这一功能对于频率合成器部分的故障诊断作用尤为突出，因此应首先利用仪器的故障诊断功能，以简化维修步骤。

2)应遵从先点频后扫频的步骤，考察频率合成器的工作状态

通过频率合成器的工作原理可以看出点频状态下影响锁相环路工作的因素相对较少，此时YTO 的预设值和小数分频模值固定不变，这对于测试非常有利，而且点频状态能够反映出锁相环路的基本工作情况。一旦确认点频状态正常，可通过逐步加大SPAN 值的方式检查小数分频锁相环路的工作状态。事实上，由于环路中使用的微电子器件的工作频率范围很宽，其电气特性可能在某些频率点上出现异常，从而引起环路失锁，不仔细观察可能错过了对故障点的检查。

3)用鉴相器输入信号选一法压缩锁相环路的故障点

环路锁定的条件是，参考信号与振荡器信号相位差为0。采用措施使鉴相器的输入信号为同一信号，有利于检相器、积分器、误差放大器工作状态的检查，便于将故障部位的范围收缩到是检相信号产生电路，还是检相器本身。

3 故障检修实例

1)一台E4408B 频率特性不好，但是没有任何故障告警。使用软件进行频响调整时能够通过，但是调整后故障现象依旧。

故障分析:该仪器的频率特性是通过调整第三中频放大器(21.4 MHz)的增益实现的。在频响特性校正时，程序将信号源标准和本振设定在相应的点频上，以功率计读值为参考，比对频谱仪的测量值，二者之差作为校准因子用于改善频谱仪的频响。在这一过程中本振信号的频率与信号源应该是共频标、同步的，频谱纯度对测量结果影响较大。

鉴于仪器的故障诊断程序没有发现其故障所在，可以判断仪器各部分的基本工作应该是正常的;由频响特性测试曲线可以看出，即使在同一频率点上，测出的电平值表现为较大的离散性，似乎是有某个参数在不停地变化，因此应该重点考察混频器的输入、输出信号。

故障追踪:考虑到频谱仪在3 GHz 以上波段是通过YTX 一次将被测信号频率变换到321.4 MHz 第二中频信号，且频谱仪中心频率在3 GHz 时使用的是YTO的基波信号，变频次数小，因此将8757D 信号源的输出信号置于3 GHz/-10 dBm 并送给频谱仪，置频谱仪中心频率于3 GHz，SPAN 为0 Hz。用另一台频谱仪监测YTX 的IF 信号，发现频率为321.4 MHz，但是频谱杂散很大。监测LO 信号时发现频谱不纯，伴随有不规则杂散跳动。因此可以确定频率合成器有故障。

用频谱仪检测100 MHz 参考信号的频谱，发现存在杂散现象。给频谱仪外接10 MHz 频标，发现故障现象依旧。因此可以确定100 MHz VCXO 存在故障。鉴于100 MHz VCXO 能够锁相，仅是输出信号频谱纯度不好，因此应重点检查其调谐电压及变容二极管的工作状态。测量发现调谐偏置电阻R7(如图2所示)上压降过大，分割测试后确认限幅管CR36 已处于雪崩击穿状态。正是限幅管CR36 的这种状态产生了大量噪声，扰动了100 MHz 信号的频谱纯度，继而引起了本振源的幅度不规则跳变，使得频响调整失去了作用。

更换CR36 后本振信号恢复正常。

图2 100 MHz VCXO 调谐电路局部电路图

鉴于前期的频响调整是在本振存在故障的情况下进行的，校准因子离群的情况较多，必须重做频响调整。按频响要求配置测试平台，启动频响校准程序。程序运行完毕后，做频响测试，测试结果表明在26.5 GHz 的全频带范围内，其相位噪声、平坦度、绝对电平不确定度、相对电平不确定度均恢复到了出厂水平，仪器恢复正常。

2)一台E4408B 出现的故障提示为LO Unlock，LO Unleveled

故障分析:该仪器的故障现象极为明显，对应故障代码可直接确定为YTO 环路有故障。但是因失锁引起的不稳幅，还是放大器出现问题引起了失锁，需要进一步通过测试确认。

故障追踪:将频谱仪SPAN 置于0 Hz，失锁、不稳幅告警立即消失，此时的中心频率为13.25 GHz。增加SPAN 到10 MHz，故障告警再次出现。显然YTO 环路仅失锁于某一频段。将SPAN 再次设定为0 Hz，将中心频率向上、下调整，发现中心频率在12.9 ～13.24 GHz 之间存在失锁、不稳幅现象。

在YTO 环路(如图3所示)中，相位检波器的参考频率是由600 MHz 信号经128 或129 分频后形成的。YTO 的输出频率依次经过4 分频、2 或4 分频、小数分频后送到检相器。因此应先对相位检波器的两个输入信号进行检测。

图3 YTO 环路框图

将频谱仪的中心频率置于13.20 GHz，SPAN 为0 Hz;用另一台频谱仪测量相位检波器的输入信号。测量结果显示，参考信号幅度、频率均正常，而YTO 信号只是一些杂散信号。测4 分频器U68 的输入、输出信号，发现该电路无输出信号。调整故障仪器的中心频率发现该电路在输入频率低于3.475 GHz 以下不能工作，由此导致YTO 环路失锁，引起YTO 输出电平下降。

更换U68 故障告警消失，仪器恢复正常。

4 小结

E4408B 的频率合成器的技术性能是通过先进的电路制造技术实现的，其工作原理及电路则简洁明了，实施原件维修完全可行;要注重维修手册的作用，分析思路清晰、检修步骤合理可以提高维修效能。

［1］Agilent Technologies.ESA Series Spectrum Analyzers Service Guide［Z］.Agilent Technologies，2001.