对某设备低温下测频超差问题的分析和研究

2021-08-18罗绍彬何鱼鑫万霏

电子测试 2021年14期

罗绍彬，何鱼鑫，万霏

（西南电子设备研究所，四川成都，610036）

0 引言

频域参数是雷达各种特征参数中最重要的参数之一，是设备分选和威胁识别的重要依据[1]，瞬时测频（IFM）具有较宽的瞬时频率覆盖范围和比较大的瞬时动态范围,而且能够以非常快的速度完成对信号频率的测量，给出工程所需的测频精度，同时具有极高的截获概率，所以瞬时测频在很多领域电子设备中得了到广泛的应用[2]。随着电子设备的使用要求，能在各种温度环境中，对频率信息保持精确的测量非常重要，直接影响电子设备整机性能的发挥。影响瞬时测频测量精度的因数很多，在工程中发现，温度的影响是主要原因之一，文章以科研生产单位在实际工程中，整机生产调试人员对某型电子设备在进行低温环境工作试验，电子设备在低温工作中，出现了测频误差大，超过了技术指标要求的原因进行分析和研究。

1 原理分析

在某型电子设备整机中，负责测频指标测试的模块是使用瞬时测频（IFM）原理设计的，采用微波干涉仪鉴相的方式进行测频，其工作原理是利用微波信号的干涉现象[3]，如图1所示。

图1 微波鉴相器的原理图

将输入射频脉冲信号通过功分器分成两路其中的一路通过延时线延迟，另一路为直通信号。将延迟和不延迟的两路进行相关比较，两路的相位差和输入射频信号的载频值之间有一固定的关系，这就是IFM 组件的工作基础。关系如下：

（1）式中，φ: 相位差τ：延迟时间f：输入射频频率值

当延迟时间τ 为固定值时，相位差直接与输入射频频率值成比例，这样将鉴频转化为鉴相。再通过鉴相来测频。

从设计图上得知，该型瞬时测频模块由放大检波组件和相关器组件和测频编码电路组成，其模块的功能框图如图2所示。

图2 瞬时测频模块功能框图

工作过程：频信号经过放大检波组件后产生用于鉴相的限幅射频信号，同时也产生一个检波同步视频信号。限幅的射频信号进入相关器组件，产生几组鉴相的视频信号。所有的视频信号均进入编码处理电路，编码处理电路通过AD 量化对几组鉴相视频信号进行频率信息提取，同时也对放大检波组件送出的检波视频信号进行信号检测处理，形成最终的同步信号。

该型测频模块采用了干涉仪鉴相的方式，核心关键的微波参数为相位，而微波器件（包括延迟电缆）的相位参数容易随着温度发生变化。因此目前的瞬时测频模块通过位于信号处理电路上的测温电路单元来判断周围的环境温度，再根据所测温度形成一定温度区间下的温度校码，将所发生的测频误差进行相应的修正，以此满足瞬时测频模块的测频精度的要求。

2 故障分析及定位

综合上述瞬时测频模块工作原理的分析，造成测频精度超差的原因进行罗列，可能导致测频精度超差的原因有：供电输入异常、测频前端模块输出信号频率不正确、射频电缆损坏、信号处理电路输出单元异常、相关器检波无输出、延迟电缆相位变、化码表生成错误等，下逐一进行分析。

2.1 供电输入异常

瞬时测频模块的供电方式为机外供电，由电子设备整机母版上提供三组电源，分别为+12V、+5V、-5V。如果其中的某一路或者几路电源无输入或者是电压值不正常均会导致整个瞬时测频模块工作不正常，从而导致瞬时测频模块测频精度超差，因此首先检查整机提供的电压是否正常，经检查母板插座输出地电源，确认+12V、+5V、-5V 电源输入正常，因此排除由供电造成故障的可能性。

2.2 测频前端模块输出信号频率不正确

瞬时测频模块的输入信号是由测频前端送入的，如果测频前端输入信号频率不正确将会导致瞬时测频模块测频精度超差，所以跳过测频前端模块，直接从信号源送信号进入瞬时测频模块故障现象未发生改变，因此排除由于输入信号异常导致瞬时测频模块测频精度超差的故障。

2.3 射频电缆损坏

将瞬时测频模块盒体盖板拆开，检查连接盒体面板插座和IFM 通用模块之间的射频电缆用频谱仪进行测量在有测频精度超差的频率点插损正常，可以排除射频电缆损坏导致测频精度超差故障。

2.4 信号处理电路输出单元异常

根据上述原理进行分析信号处理电路由于担负将量化电平按照统一的编码方式编成一组有序的二进制码的工作，如果出错将导致测频精度超差的故障发生，信号处理电路输出单元异常模式是13 位有个别位输出始终为高电平或者低电平，经全面测量整个工作频段内各个频率，确认13 位频率码的均为有序的高低变化，不存在上述现象，因此排除信号处理电路输出异常导致测频精度超差的故障。

2.5 相关器检波无输出

瞬时测频模块内部相关器损坏同样能够造成测频精度超差，检查瞬时测频模块输出的13 位频率码每一位的变换规律均与输出该路频率码的相关器的变化周期一致，确认无检波器损坏导致的周期数变化的情况，因此排除了这一个可能。

2.6 延迟电缆相位变化

延迟电缆存在温度情况下的相位变化，通过对两个极端温度环境低温（-55℃）、高温（+70℃）下对模块进行独立测试，均未发现测频精度超差，也就是说延迟电缆的相位变化在温度校码的控制范围之内，因此排除了排本故障。

2.7 码表生成错误

通过复查故障件测频模块调试原始数据发现，在进行全温数据合成时，数据合成发生了错误，内部数据少了-20℃的数据，如图3 所示，在2000～3000 区域内应该装载“低温码表1”的数据，结果把-55℃温区数据当成-20℃数据，导致系统测频校准误差变大，使得在整机低温环境试验工作时，测频精度超差。

图3 码表生成错误示意图

2.8 故障定位结论

码表生成时发生了错误，把-55℃温区数据当成-20℃数据合成了，直接导致在整机试验时，低温下测频精度超差。

3 机理分析

电缆由于其应用不同，内部介质不同，在工作温度范围内的每个温度点所反应的电长度变化特性也不同，相位发生变化[3]。鉴于瞬时测频模块采用了干涉仪鉴相的方式，核心关键的微波参数为相位，而延迟电缆的相位参数容易随着温度发生变化。延迟线电缆相位发生变化，鉴相组件输出的脉冲信号的幅度也会发生变化，进而造成采样量化出来的频率码改变，因此随着延迟线电缆相位发生变化，测频精度超差[4]。

在设备进行环境试验时，采用外部供液的方式，对电子设备工作提供冷却。这个液冷对于-55℃环境下，实际效果变成了加热。因此在进行整机低温试验时一旦启动液冷，便将模块的温度迅速提升。测频模块实际温度在-20℃左右。由于模块在调试阶段码表数据未在-20℃进行温度码校准，生成时就会发生错误，把-55℃温区数据当成-20℃数据合成了，直接导致在整机试验时，低温下测频精度超差。

为了验证瞬时测频模块低温测频超差的现象，进行问题复现：(1）将出现故障的瞬时测频模块装入整机中进行低温工作试验，在整机不开启液冷的情况下，测频精度不超差。开启液冷，测频均方根值不满足指标要求。(2）将瞬时测频模块单独进行低温工作试验，温箱温度设为-20℃时，测频均方根值同样不满足指标要求。

4 方法与验证

根据以上分析，减少此类故障的发生，进行高低温摸底，摸底温度除+70℃和-55℃，再增加一个-20℃温度环境，在不同的环境温度下进行温度校码（校码可重新匹配频率和对应的相位），形成独立温区数据，校码完成后进行验证：(1）按照整机的环境试验条件进行测频模块摸底测试，测量的测频精度的满足要求。(2）将瞬时测频模块装入整机中，再次进行低温环境试验，在整机工作中测试，测频精度满足的技术指标要求。(3）按照上述方法，在不同的生产批次中，抽取10 件测频模块，完成温度校码并进行测试，测试结果是测频精度全部满足指标要求。