70年代的惠普在电学测量,射频器件,计算机技术方面都有着毫无疑问的领先地位。而这台发布于1976年7月的HP8505A矢量网络分析仪则是惠普在各个研究方向上的集大成者。上半年,我有幸收集到一套完整并且正常工作的8505A,也一直很想记录一下这台了不起的仪器。不过由于这套系统非常复杂,很难将其压缩在一篇文章中,我决定分模块进行记录,以便读者们查看。本篇是这系列文章的前言,简单介绍一下矢量网络分析仪(VNA)的历史以及这台机器的背景。


背景

在电子学中,我们往往需要了解一个元器件或是一个电路系统在不同信号频率下的特性,从而评估其性能。一个系统的频率响应又分为幅值响应和相位响应,分别表示正弦波经过该系统后幅度和相位相对于输入发生的变化。在60年代,对幅频特性的测量通常采用信号源与交流(高频)电压表配合的方式进行。如果需要测量相位特性,则通常会使用矢量电压表。那个时候的工程师在测量时需要手动调节信号源频率,在坐标纸上描点绘制曲线,消耗大量的人力。发布于1966年的HP 8405A便是当时比较具有代表性的矢量电压表。

HP 8405A矢量电压表

在60年代末,基于S参数的网络分析方法逐渐普及。随着电子技术的发展,工程师们制造出扫频信号源,可以输出在两个频率点之间连续变化的信号。结合矢量电压检测技术,第一个自动化矢量网络分析仪HP 8410A便诞生了。这套测量系统主要用于微波测量领域,可以达到最高12.4GHz的频率。同时它还能配合相关信号处理电路,在矢量显示器上直接输出频率响应曲线和史密斯图,在当时是非常先进的存在,也是网络分析仪发展史上的里程碑。

一套典型的HP 8410A网络分析系统,包含了信号源,矢量测量仪和作为显示输出的示波器

最终时间到了1976年,惠普发布了HP 8505A矢量网络分析仪。这套仪器将扫频信号源,信号接收电路,信号处理电路,显示模块及控制电路融为一体,是历史上第一台一体化的矢量网络分析仪。同时它加入了数字读出和HPIB远程控制接口,使得仪器不管是在实验室中独立使用,还是集成进产线的自动化测量系统,都十分方便。

1976年7月的HP Journal全篇都是关于8505的内容

惠普在1978年又发布了HP 8501A存储归一化器,为HP 8505A添加了有限的数字处理功能,可以实现波形记忆/平均/存储参考波形用于自动校准等功能,并且添加了屏幕读出和通过HPIB控制的矢量绘图功能,使得仪器的实用性进一步增加,并扩展了这台矢量网络分析仪的使用范围。

通过对HP 8501A的HPIB编程实现的复杂图像显示


特性

作为一台1976年设计的VNA,HP 8505A有着即使放在今天也很优秀的性能指标。在数字信号处理技术不发达的年代,这归功于相当优秀的模拟和射频电路设计,严格的生产测试流程以及蓝宝石衬底薄膜电路等工艺的应用。

8505A使用的部分薄膜电路射频模块,出自1976-7的HPJ

HP 8505A的频率范围为500kHz-1.3GHz,有着高达100dB的动态范围,整个频率范围内的绝对幅值平坦度好于±1.5dB,而相对幅值(测量输入通道与参考信号输入通道比例)的平坦度甚至好于±0.3dB。别忘了这一切指标都是通过模拟和射频电路实现,不存在数字信号处理和校正过程。配套S参数测量电桥HP 8503A/B隔离度优于100dB,并且在整个频段内有高于40dB的定向性和小于±2dB的平坦度。具体的性能指标可以参考本文末的数据手册。

显然,高指标带来的负面效应就是高昂的价格。在1976年,一台不带任何选件的HP 8505A主机需要花掉你22500美元,到1986年则需要用40370美元才能买到它。惠普的仪器有个很有意思的现象,就是在一段时间内,同一台仪器是保值的,并且它的涨价幅度与美国的通货膨胀率基本重合。不得不说这是实力的体现,因为惠普很自信自己的指标在一定时间内是无人可超越的。
我凑齐的这套网分,除了8505A还包含了8501A,8503A以及锁相选件。其中8501A为单独购买,8505主体和8503为成都某研究所淘汰,之前用于雷达研发,看资产标签一直使用到2000年后,直到2009年底才彻底淘汰封存。根据仪器背面的序列号,这套设备生产于1985年下半年。在1986年,这套系统总计需要耗费惊人的56815美元,约等于2021年的140000美金(90万人民币),可以买量不错的跑车了。


整体展示

由于图片众多,8505A的拆解我将分成6篇,本篇先展示一下机器的整体外观。

HP 8505A矢量网络分析仪系统整体,自上而下为8501A存储归一化器,8505A信号处理及显示部分,8505A射频部分和8503A 50欧S参数测量电桥

通过HPIB可将系统连接至现代PC。右下角为HP 59401A HPIB总线分析仪

测量一颗8MHz晶振的画面。可以清楚看到晶振串联和并联谐振的两个峰值,以及相位变化。这是加入8501A之后的画面,如果系统中没有8501A,则不会有OSD信息显示

测量一个双频棒状天线的画面,屏幕上两条曲线分别是幅值曲线和史密斯图。这里并没有使用HP 8501A

CRT上的史密斯圆网格其实是贴在CRT前面的一张印有图案的透明纸。这台机器的CRT有一个神奇的泛光电子枪,会将整个CRT打亮,用以给坐标纸提供背光,但也降低了对比度

操作及数字读出面板,用了很漂亮的点阵数码管

HP 8503A S参数测量电桥,里面包含两个定向耦合器和切换电路,可以用于测量待测件的S11 S12 S21 S22参数

HP 8501A 存储/归一化器。别看面板似乎很简单,其实这是一个非常复杂的数字信号处理装置,内部实现方式堪称人类早期驯服DSP的典范之一

设备背面

插上互联线缆之后的样子

通过对8501A的HPIB进行编程,可以实现一些复杂图案(雾)的显示

通过HPIB编程输出8501A内置的矢量字体库。有意思的是它在基础ASCII字符集之上又加入了不少科学符号。128-144之间的奇怪字符应该是未定义的内容

矢量绘图功能演示。HP 8501A在直角坐标模式下的绘图分辨率是432*360,在极坐标模式下更能达到1024*1024,然而只有大约600*512的区域能显示出来,其余区域在显示范围之外


提前窥探一下内部。这是8505A的显示/处理单元

这是8505A的射频单元

镀金不惜成本,非常晃眼的射频模块

8501A的内部,12块板卡实现了绘图/数据处理和通讯功能,主要是74系列逻辑芯片,充分体现了时代特色

如果您对HP 8505A的参数和特性有兴趣,可以查看它的数据手册:
《High Performance RF Network Analyzer》

另外可以看看1976年7月的HP Journal,里面有较为详细的原理介绍:
《Hewlett-Packard Journal July 1976》


~本系列的第一篇到此结束,后续文章敬请期待。感谢阅读~

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