高性能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的常見(jiàn)故障判斷與維修技術(shù)

楊志成，林 升，付少輝，彭 浩

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北省 石家莊050000)

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種測(cè)量微波器件全面網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的高精度智能儀器，可以測(cè)量單端口或多端口器件的復(fù)數(shù)散射參數(shù)，如電壓駐波比、相位等。隨著5G通信技術(shù)大規(guī)模推廣和先進(jìn)裝備的發(fā)展，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于手機(jī)、衛(wèi)星通訊、濾波器等產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試中[1-4]。其在產(chǎn)品研制、試驗(yàn)、生產(chǎn)過(guò)程中表征產(chǎn)品性能并廣泛應(yīng)用，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀市場(chǎng)需求量、保有量急速增長(zhǎng)。超負(fù)荷運(yùn)行與龐大的基數(shù)都會(huì)造成故障次數(shù)的增多，返廠維修不僅耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，延誤科研生產(chǎn)進(jìn)度，還會(huì)增加維修成本。根據(jù)多年的維修經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)分析，最后選擇3個(gè)較為常見(jiàn)的案例，詳細(xì)介紹了判斷故障點(diǎn)方法。

1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的工作原理

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通常由信號(hào)源模塊、信號(hào)分離器模塊、接收機(jī)模塊、數(shù)字控制及顯示部分構(gòu)成[5]，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀工作原理圖

激勵(lì)信號(hào)由信號(hào)源模塊產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)信號(hào)分離器模塊將信號(hào)分為兩路，其一為參考信號(hào)R1、R2；另一路為經(jīng)過(guò)信號(hào)源衰減器傳輸?shù)蕉丝?，為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供激勵(lì)源，該信號(hào)經(jīng)過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后反射回端口1的信號(hào)再通過(guò)定向耦合器即為反射信號(hào)A，經(jīng)過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后傳輸?shù)蕉丝?再經(jīng)過(guò)定向耦合器的信號(hào)為傳輸信號(hào)B。A與參考通道R1的信號(hào)之比(即A／R1)測(cè)量其反射參數(shù)S11；B與參考信號(hào)R1之比(即B／R1)測(cè)量其傳輸參數(shù)S21，同理可知S22和S12的含義[6，7]。

2 儀器檢修

維修過(guò)程中要佩戴防靜電服與防靜電手環(huán)，由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀保有量的增多以及長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷使用，出現(xiàn)故障的次數(shù)必然增長(zhǎng)，這也給儀器維修人員帶來(lái)了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。機(jī)遇是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀價(jià)格高，維修利潤(rùn)相對(duì)較高；挑戰(zhàn)是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀集成化程度高，需要維修人員具有豐富的專業(yè)知識(shí)面和較強(qiáng)的邏輯推理思維。不僅需要了解矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的結(jié)構(gòu)原理以及信號(hào)流向環(huán)路，還要熟悉矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀基本功能的使用方法，例如觀察S曲線、自檢功能、校準(zhǔn)功能等。具備這些基礎(chǔ)條件才能對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的故障點(diǎn)進(jìn)行定位[8，9]。根據(jù)對(duì)大量矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀維修實(shí)例的總結(jié)，給出了3個(gè)最常見(jiàn)的案例。

2.1 通用接口總線通訊故障維修

通過(guò)接口總線（GPIB）控制線無(wú)法控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，使用安捷倫I/O軟件無(wú)法識(shí)別矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。拆下矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的GPIB通訊板卡，其板卡上負(fù)責(zé)通訊功能的區(qū)域如圖2所示。

圖2 GPIB板卡上的通訊功能區(qū)域

SN75161B和SN75162B芯片是8通道通用接口總線收發(fā)器，具有高速低功耗的肖基特器件，旨在滿足IEEE標(biāo)準(zhǔn)的488總線通訊功能[10]，因此20管腳SN75161B和24管腳SN75162B芯片是實(shí)現(xiàn)GPIB板卡與外界通訊能力的保障。將SN75161B的20管腳和SN75162B的24管腳分別連接一根測(cè)試線，插回GPIB板卡，上電開(kāi)機(jī)，測(cè)量其電壓值，發(fā)現(xiàn)SN75162B的24管腳無(wú)電壓。這種情況有可能是電路板內(nèi)部提供電源的走線斷裂無(wú)法提供電源，或者是SN75162B芯片被燒毀，供電端與地短接，這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致SN75162B芯片不工作。拆下SN75162B芯片，繼續(xù)測(cè)量電路板上對(duì)應(yīng)的24管腳，若有電壓則說(shuō)明芯片燒毀，更換SN75162B芯片即可修復(fù)GPIB板卡的功能，若仍然無(wú)電壓則說(shuō)明電路板出現(xiàn)問(wèn)題，必須更換整個(gè)GPIB板卡。

2.2 信號(hào)源故障維修

S11、S22曲線在0 dBm處，A、B、R1、R2曲線出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)且幅度有±30 dBm。第一次系統(tǒng)自檢后結(jié)果顯示跟隨噪聲故障。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的正常值為0.1以下，R1pk-pk level為2左右）。端口1、2的接收機(jī)也全部報(bào)故障。

端口1與端口2的故障現(xiàn)象完全一致，因此可以判斷故障在端口1、2共用的模塊。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號(hào)走勢(shì)圖如圖3所示，端口1和端口2共用的模塊有參考板，源合成板、本振信號(hào)和接收機(jī)。根據(jù)故障現(xiàn)象或者使用測(cè)量手段對(duì)這些共用模塊進(jìn)行一一排除，最終定位故障點(diǎn)。接收機(jī)出現(xiàn)故障一般表現(xiàn)為進(jìn)入接收機(jī)的信號(hào)過(guò)強(qiáng)，對(duì)接收機(jī)造成了不可逆的損傷，S11、S22曲線不會(huì)在0 dBm處，因此首先排除接收機(jī)故障。使用功率計(jì)測(cè)量端口1和端口2的功率，發(fā)現(xiàn)測(cè)得的功率與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)定功率一致，因此可以排除源合成板和源倍頻板故障的可能。那么故障點(diǎn)就可以定位在本振信號(hào)，更換本振合成板，更換后故障消除，自檢結(jié)果正常，說(shuō)明本振合成板出現(xiàn)故障，若更換后仍然沒(méi)有改善，則說(shuō)明故障點(diǎn)在本振倍頻模塊。本振信號(hào)在接收機(jī)模塊與A、B、R1、R2信號(hào)進(jìn)行混頻，本振信號(hào)出現(xiàn)問(wèn)題后混頻得到的中頻信號(hào)也是錯(cuò)誤的，接收機(jī)接收到的信號(hào)是不正常的信號(hào)，因此故障現(xiàn)象中端口1、2接收機(jī)報(bào)故障，這也驗(yàn)證了對(duì)故障點(diǎn)的判斷。

圖3 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀激勵(lì)信號(hào)和本振信號(hào)走勢(shì)圖

在維修過(guò)程中，更換信號(hào)流圖上任何模塊都需要重新校準(zhǔn)，例如更換了本振合成板后需要用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀自帶的校準(zhǔn)功能重新校準(zhǔn)本振信號(hào)。高度智能化的儀器能夠?qū)⑷藦闹貜?fù)繁重的勞動(dòng)中解脫，極大地幫助了維修人員的工作[2]。

2.3 衰減器故障維修

A、B、R1、R2曲線都在-5 dBm功率處（每個(gè)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的默認(rèn)功率都不相同，一般為-5 dBm），因此S11、S22曲線皆在0 dBm處。A、B曲線如圖4所示，R1、R2曲線如圖5所示。

圖4 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀A、B的正常曲線

圖5 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀R1、R2的正常曲線

自檢后提示端口1接收機(jī)衰減器故障，且只在10 dB、40 dB、60 dB這3個(gè)衰減段出現(xiàn)故障，跟隨噪聲也提示故障。調(diào)整端口1和端口2的功率，發(fā)現(xiàn)R1曲線出現(xiàn)回跳的情況，S11曲線出現(xiàn)下掉情況，S22曲線一直在0 dBm處。

默認(rèn)狀態(tài)下S11、S22、A、B、R1、R2曲線都在0 dBm處，且端口2的曲線正常，端口1、端口2共用一個(gè)信號(hào)源，因此可以判斷信號(hào)源模塊和本振信號(hào)都正常。接收機(jī)衰減器在R1通道上，源衰減器在A通道上，自檢結(jié)果提示端口1接收機(jī)衰減器故障且R1曲線隨著端口功率設(shè)定值的減小發(fā)生了回跳這一不正?，F(xiàn)象，也驗(yàn)證了故障點(diǎn)就是端口1的接收機(jī)衰減器。接收機(jī)衰減器只在10 dB、40 dB、60 dB報(bào)故障，而接收機(jī)衰減器中衰減片依次為10 dB、20 dB、30 dB，根據(jù)故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，可以推斷出10 dB衰減段出現(xiàn)故障。改變端口1的功率，令接收機(jī)衰減器動(dòng)作幾次后再自檢，故障現(xiàn)象消除，說(shuō)明故障是由衰減器10 dB衰減段的動(dòng)作片接觸不良導(dǎo)致。接收機(jī)衰減器正常時(shí)跟隨噪聲并未報(bào)故障，跟隨噪聲報(bào)故障是因?yàn)榻邮諜C(jī)衰減器故障引起的連帶反應(yīng)。

氧化層造成接觸不良可以使用超聲波儀器將氧化層清洗掉。接收機(jī)衰減器的動(dòng)作片部位向下放入超聲波儀器中，加入適量酒精，以液面剛好沒(méi)過(guò)衰減器接口的一半位置為宜，衰減器的繼電器全部向下動(dòng)作時(shí)放入超聲波儀器中清洗3 min（3 min為多次試驗(yàn)取得的最優(yōu)值，既能保證清洗掉氧化層，又不會(huì)傷害繼電器線圈的絕緣層），然后讓繼電器全部向上動(dòng)作后再清洗一次，這樣能夠清洗動(dòng)作片的兩面。

若衰減器動(dòng)作多次故障依然沒(méi)有改善，則說(shuō)明衰減片已被燒毀，將衰減片放到顯微鏡下觀察，出現(xiàn)蛛網(wǎng)狀痕跡則說(shuō)明衰減片已經(jīng)被燒毀，更換新的衰減片即可?？梢愿鶕?jù)成本、維修時(shí)間的需求選擇更換衰減器或者修復(fù)衰減器。

3 結(jié)束語(yǔ)

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在未來(lái)將會(huì)有更廣闊的發(fā)展?jié)摿?，模塊化給矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀帶來(lái)了更多的測(cè)試功能和更高的集成度電路結(jié)構(gòu)。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的自檢結(jié)果僅能作為參考，只有掌握基本原理，靈活地應(yīng)用各種微波儀器作為測(cè)量手段，對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行深刻分析才能判定出真正的故障點(diǎn)。