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高性能矢量网络分析仪的常见故障判断与维修技术

2021-08-10杨志成付少辉

电子工业专用设备 2021年4期
关键词:衰减器接收机分析仪

杨志成,林 升,付少辉,彭 浩

(中国电子科技集团公司第十三研究所,河北省 石家庄050000)

矢量网络分析仪是一种测量微波器件全面网络参数的高精度智能仪器,可以测量单端口或多端口器件的复数散射参数,如电压驻波比、相位等。随着5G通信技术大规模推广和先进装备的发展,矢量网络分析仪已经广泛应用于手机、卫星通讯、滤波器等产品设计、生产、调试中[1-4]。其在产品研制、试验、生产过程中表征产品性能并广泛应用,矢量网络分析仪市场需求量、保有量急速增长。超负荷运行与庞大的基数都会造成故障次数的增多,返厂维修不仅耗费时间长,延误科研生产进度,还会增加维修成本。根据多年的维修经验进行总结分析,最后选择3个较为常见的案例,详细介绍了判断故障点方法。

1 矢量网络分析仪的工作原理

矢量网络分析仪通常由信号源模块、信号分离器模块、接收机模块、数字控制及显示部分构成[5],结构框图如图1所示。

图1 矢量网络分析仪工作原理图

激励信号由信号源模块产生,经过信号分离器模块将信号分为两路,其一为参考信号R1、R2;另一路为经过信号源衰减器传输到端口,为被测网络提供激励源,该信号经过被测网络后反射回端口1的信号再通过定向耦合器即为反射信号A,经过被测网络后传输到端口2再经过定向耦合器的信号为传输信号B。A与参考通道R1的信号之比(即A/R1)测量其反射参数S11;B与参考信号R1之比(即B/R1)测量其传输参数S21,同理可知S22和S12的含义[6,7]。

2 仪器检修

维修过程中要佩戴防静电服与防静电手环,由于矢量网络分析仪保有量的增多以及长时间高负荷使用,出现故障的次数必然增长,这也给仪器维修人员带来了新的机遇与挑战。机遇是矢量网络分析仪价格高,维修利润相对较高;挑战是矢量网络分析仪集成化程度高,需要维修人员具有丰富的专业知识面和较强的逻辑推理思维。不仅需要了解矢量网络分析仪的结构原理以及信号流向环路,还要熟悉矢量网络分析仪基本功能的使用方法,例如观察S曲线、自检功能、校准功能等。具备这些基础条件才能对矢量网络分析仪的故障点进行定位[8,9]。根据对大量矢量网络分析仪维修实例的总结,给出了3个最常见的案例。

2.1 通用接口总线通讯故障维修

通过接口总线(GPIB)控制线无法控制矢量网络分析仪,使用安捷伦I/O软件无法识别矢量网络分析仪。拆下矢量网络分析仪的GPIB通讯板卡,其板卡上负责通讯功能的区域如图2所示。

图2 GPIB板卡上的通讯功能区域

SN75161B和SN75162B芯片是8通道通用接口总线收发器,具有高速低功耗的肖基特器件,旨在满足IEEE标准的488总线通讯功能[10],因此20管脚SN75161B和24管脚SN75162B芯片是实现GPIB板卡与外界通讯能力的保障。将SN75161B的20管脚和SN75162B的24管脚分别连接一根测试线,插回GPIB板卡,上电开机,测量其电压值,发现SN75162B的24管脚无电压。这种情况有可能是电路板内部提供电源的走线断裂无法提供电源,或者是SN75162B芯片被烧毁,供电端与地短接,这两种情况都会导致SN75162B芯片不工作。拆下SN75162B芯片,继续测量电路板上对应的24管脚,若有电压则说明芯片烧毁,更换SN75162B芯片即可修复GPIB板卡的功能,若仍然无电压则说明电路板出现问题,必须更换整个GPIB板卡。

2.2 信号源故障维修

S11、S22曲线在0 dBm处,A、B、R1、R2曲线出现剧烈抖动且幅度有±30 dBm。第一次系统自检后结果显示跟随噪声故障。Trace Noise a pk-pk=39.15,Trace Noise b pk-pk=38.68,R1pk-pk level=56.02,R2pk-pk level=57.13(Trace Noise a pk-pk的正常值为0.1以下,R1pk-pk level为2左右)。端口1、2的接收机也全部报故障。

端口1与端口2的故障现象完全一致,因此可以判断故障在端口1、2共用的模块。

矢量网络分析仪的信号走势图如图3所示,端口1和端口2共用的模块有参考板,源合成板、本振信号和接收机。根据故障现象或者使用测量手段对这些共用模块进行一一排除,最终定位故障点。接收机出现故障一般表现为进入接收机的信号过强,对接收机造成了不可逆的损伤,S11、S22曲线不会在0 dBm处,因此首先排除接收机故障。使用功率计测量端口1和端口2的功率,发现测得的功率与矢量网络分析仪设定功率一致,因此可以排除源合成板和源倍频板故障的可能。那么故障点就可以定位在本振信号,更换本振合成板,更换后故障消除,自检结果正常,说明本振合成板出现故障,若更换后仍然没有改善,则说明故障点在本振倍频模块。本振信号在接收机模块与A、B、R1、R2信号进行混频,本振信号出现问题后混频得到的中频信号也是错误的,接收机接收到的信号是不正常的信号,因此故障现象中端口1、2接收机报故障,这也验证了对故障点的判断。

图3 矢量网络分析仪激励信号和本振信号走势图

在维修过程中,更换信号流图上任何模块都需要重新校准,例如更换了本振合成板后需要用矢量网络分析仪自带的校准功能重新校准本振信号。高度智能化的仪器能够将人从重复繁重的劳动中解脱,极大地帮助了维修人员的工作[2]。

2.3 衰减器故障维修

A、B、R1、R2曲线都在-5 dBm功率处(每个矢量网络分析仪的默认功率都不相同,一般为-5 dBm),因此S11、S22曲线皆在0 dBm处。A、B曲线如图4所示,R1、R2曲线如图5所示。

图4 矢量网络分析仪A、B的正常曲线

图5 矢量网络分析仪R1、R2的正常曲线

自检后提示端口1接收机衰减器故障,且只在10 dB、40 dB、60 dB这3个衰减段出现故障,跟随噪声也提示故障。调整端口1和端口2的功率,发现R1曲线出现回跳的情况,S11曲线出现下掉情况,S22曲线一直在0 dBm处。

默认状态下S11、S22、A、B、R1、R2曲线都在0 dBm处,且端口2的曲线正常,端口1、端口2共用一个信号源,因此可以判断信号源模块和本振信号都正常。接收机衰减器在R1通道上,源衰减器在A通道上,自检结果提示端口1接收机衰减器故障且R1曲线随着端口功率设定值的减小发生了回跳这一不正常现象,也验证了故障点就是端口1的接收机衰减器。接收机衰减器只在10 dB、40 dB、60 dB报故障,而接收机衰减器中衰减片依次为10 dB、20 dB、30 dB,根据故障现象进行分析,可以推断出10 dB衰减段出现故障。改变端口1的功率,令接收机衰减器动作几次后再自检,故障现象消除,说明故障是由衰减器10 dB衰减段的动作片接触不良导致。接收机衰减器正常时跟随噪声并未报故障,跟随噪声报故障是因为接收机衰减器故障引起的连带反应。

氧化层造成接触不良可以使用超声波仪器将氧化层清洗掉。接收机衰减器的动作片部位向下放入超声波仪器中,加入适量酒精,以液面刚好没过衰减器接口的一半位置为宜,衰减器的继电器全部向下动作时放入超声波仪器中清洗3 min(3 min为多次试验取得的最优值,既能保证清洗掉氧化层,又不会伤害继电器线圈的绝缘层),然后让继电器全部向上动作后再清洗一次,这样能够清洗动作片的两面。

若衰减器动作多次故障依然没有改善,则说明衰减片已被烧毁,将衰减片放到显微镜下观察,出现蛛网状痕迹则说明衰减片已经被烧毁,更换新的衰减片即可。可以根据成本、维修时间的需求选择更换衰减器或者修复衰减器。

3 结束语

矢量网络分析仪在未来将会有更广阔的发展潜力,模块化给矢量网络分析仪带来了更多的测试功能和更高的集成度电路结构。矢量网络分析仪的自检结果仅能作为参考,只有掌握基本原理,灵活地应用各种微波仪器作为测量手段,对故障现象进行深刻分析才能判定出真正的故障点。

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