高性能矢量網絡分析儀的常見故障判斷與維修技術

楊志成，林 升，付少輝，彭 浩

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北省 石家莊050000)

矢量網絡分析儀是一種測量微波器件全面網絡參數的高精度智能儀器，可以測量單端口或多端口器件的復數散射參數，如電壓駐波比、相位等。隨著5G通信技術大規模推廣和先進裝備的發展，矢量網絡分析儀已經廣泛應用于手機、衛星通訊、濾波器等產品設計、生產、調試中[1-4]。其在產品研制、試驗、生產過程中表征產品性能并廣泛應用，矢量網絡分析儀市場需求量、保有量急速增長。超負荷運行與龐大的基數都會造成故障次數的增多，返廠維修不僅耗費時間長，延誤科研生產進度，還會增加維修成本。根據多年的維修經驗進行總結分析，最后選擇3個較為常見的案例，詳細介紹了判斷故障點方法。

1 矢量網絡分析儀的工作原理

矢量網絡分析儀通常由信號源模塊、信號分離器模塊、接收機模塊、數字控制及顯示部分構成[5]，結構框圖如圖1所示。

圖1 矢量網絡分析儀工作原理圖

激勵信號由信號源模塊產生，經過信號分離器模塊將信號分為兩路，其一為參考信號R1、R2；另一路為經過信號源衰減器傳輸到端口，為被測網絡提供激勵源，該信號經過被測網絡后反射回端口1的信號再通過定向耦合器即為反射信號A，經過被測網絡后傳輸到端口2再經過定向耦合器的信號為傳輸信號B。A與參考通道R1的信號之比(即A／R1)測量其反射參數S11；B與參考信號R1之比(即B／R1)測量其傳輸參數S21，同理可知S22和S12的含義[6，7]。

2 儀器檢修

維修過程中要佩戴防靜電服與防靜電手環，由于矢量網絡分析儀保有量的增多以及長時間高負荷使用，出現故障的次數必然增長，這也給儀器維修人員帶來了新的機遇與挑戰。機遇是矢量網絡分析儀價格高，維修利潤相對較高；挑戰是矢量網絡分析儀集成化程度高，需要維修人員具有豐富的專業知識面和較強的邏輯推理思維。不僅需要了解矢量網絡分析儀的結構原理以及信號流向環路，還要熟悉矢量網絡分析儀基本功能的使用方法，例如觀察S曲線、自檢功能、校準功能等。具備這些基礎條件才能對矢量網絡分析儀的故障點進行定位[8，9]。根據對大量矢量網絡分析儀維修實例的總結，給出了3個最常見的案例。

2.1 通用接口總線通訊故障維修

通過接口總線（GPIB）控制線無法控制矢量網絡分析儀，使用安捷倫I/O軟件無法識別矢量網絡分析儀。拆下矢量網絡分析儀的GPIB通訊板卡，其板卡上負責通訊功能的區域如圖2所示。

圖2 GPIB板卡上的通訊功能區域

SN75161B和SN75162B芯片是8通道通用接口總線收發器，具有高速低功耗的肖基特器件，旨在滿足IEEE標準的488總線通訊功能[10]，因此20管腳SN75161B和24管腳SN75162B芯片是實現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試線，插回GPIB板卡，上電開機，測量其電壓值，發現SN75162B的24管腳無電壓。這種情況有可能是電路板內部提供電源的走線斷裂無法提供電源，或者是SN75162B芯片被燒毀，供電端與地短接，這兩種情況都會導致SN75162B芯片不工作。拆下SN75162B芯片，繼續測量電路板上對應的24管腳，若有電壓則說明芯片燒毀，更換SN75162B芯片即可修復GPIB板卡的功能，若仍然無電壓則說明電路板出現問題，必須更換整個GPIB板卡。

2.2 信號源故障維修

S11、S22曲線在0 dBm處，A、B、R1、R2曲線出現劇烈抖動且幅度有±30 dBm。第一次系統自檢后結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的接收機也全部報故障。

端口1與端口2的故障現象完全一致，因此可以判斷故障在端口1、2共用的模塊。

矢量網絡分析儀的信號走勢圖如圖3所示，端口1和端口2共用的模塊有參考板，源合成板、本振信號和接收機。根據故障現象或者使用測量手段對這些共用模塊進行一一排除，最終定位故障點。接收機出現故障一般表現為進入接收機的信號過強，對接收機造成了不可逆的損傷，S11、S22曲線不會在0 dBm處，因此首先排除接收機故障。使用功率計測量端口1和端口2的功率，發現測得的功率與矢量網絡分析儀設定功率一致，因此可以排除源合成板和源倍頻板故障的可能。那么故障點就可以定位在本振信號，更換本振合成板，更換后故障消除，自檢結果正常，說明本振合成板出現故障，若更換后仍然沒有改善，則說明故障點在本振倍頻模塊。本振信號在接收機模塊與A、B、R1、R2信號進行混頻，本振信號出現問題后混頻得到的中頻信號也是錯誤的，接收機接收到的信號是不正常的信號，因此故障現象中端口1、2接收機報故障，這也驗證了對故障點的判斷。

圖3 矢量網絡分析儀激勵信號和本振信號走勢圖

在維修過程中，更換信號流圖上任何模塊都需要重新校準，例如更換了本振合成板后需要用矢量網絡分析儀自帶的校準功能重新校準本振信號。高度智能化的儀器能夠將人從重復繁重的勞動中解脫，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（每個矢量網絡分析儀的默認功率都不相同，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 矢量網絡分析儀A、B的正常曲線

圖5 矢量網絡分析儀R1、R2的正常曲線

自檢后提示端口1接收機衰減器故障，且只在10 dB、40 dB、60 dB這3個衰減段出現故障，跟隨噪聲也提示故障。調整端口1和端口2的功率，發現R1曲線出現回跳的情況，S11曲線出現下掉情況，S22曲線一直在0 dBm處。

默認狀態下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共用一個信號源，因此可以判斷信號源模塊和本振信號都正常。接收機衰減器在R1通道上，源衰減器在A通道上，自檢結果提示端口1接收機衰減器故障且R1曲線隨著端口功率設定值的減小發生了回跳這一不正常現象，也驗證了故障點就是端口1的接收機衰減器。接收機衰減器只在10 dB、40 dB、60 dB報故障，而接收機衰減器中衰減片依次為10 dB、20 dB、30 dB，根據故障現象進行分析，可以推斷出10 dB衰減段出現故障。改變端口1的功率，令接收機衰減器動作幾次后再自檢，故障現象消除，說明故障是由衰減器10 dB衰減段的動作片接觸不良導致。接收機衰減器正常時跟隨噪聲并未報故障，跟隨噪聲報故障是因為接收機衰減器故障引起的連帶反應。

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。接收機衰減器的動作片部位向下放入超聲波儀器中，加入適量酒精，以液面剛好沒過衰減器接口的一半位置為宜，衰減器的繼電器全部向下動作時放入超聲波儀器中清洗3 min（3 min為多次試驗取得的最優值，既能保證清洗掉氧化層，又不會傷害繼電器線圈的絕緣層），然后讓繼電器全部向上動作后再清洗一次，這樣能夠清洗動作片的兩面。

若衰減器動作多次故障依然沒有改善，則說明衰減片已被燒毀，將衰減片放到顯微鏡下觀察，出現蛛網狀痕跡則說明衰減片已經被燒毀，更換新的衰減片即可。可以根據成本、維修時間的需求選擇更換衰減器或者修復衰減器。

3 結束語

矢量網絡分析儀在未來將會有更廣闊的發展潛力，模塊化給矢量網絡分析儀帶來了更多的測試功能和更高的集成度電路結構。矢量網絡分析儀的自檢結果僅能作為參考，只有掌握基本原理，靈活地應用各種微波儀器作為測量手段，對故障現象進行深刻分析才能判定出真正的故障點。