本文为HP 8505A 矢量网络分析仪射频模块拆解。该模块是整个系统的核心,包含了扫频源和接收机两大部分。模块将扫频信号提供给待测网络,并将接收到的射频信号变频为100KHz的中频信号提供给信号处理/显示模块。8505系列文章拖了快半年,挺不好意思的,后续会加快完成。文章图片较多,总计大小约130MB,打开需谨慎。


原理介绍

下面两张是本文拆解的HP 8505A 矢量网络分析仪射频模块在整个系统中的位置和简单框图


结合详细框图可以看出,机器的射频信号源其实分为两部分,分别是激励信号源和接收机本振。在整个扫频过程中,两者相差100KHz并且始终保持相位锁定。这样,在接收部分混频后,便能得到100KHz的中频信号,由显示部分求解出参考信号(R)与待测信号(A/B)之间的幅度和相位关系。为了实现这样两个锁相的信号,机器首先通过一个YTO(Yig tuned oscillator)产生范围4.2105~5.51GHz的扫频信号,再分别与两个互相锁相的4.21GHz/4.2099GHz的VCO(Voltage controlled oscillator)混频,产生范围在500KHz~1.3GHz的激励信号和600KHz~1.3001GHz的接收本振。
混频后的激励信号通过带通滤波器消除谐波,并且通过电控机械衰减器后输出到待测件。同时通路中还有用于检测激励信号功率的定向耦合器和相关电路,通过PIN调制器闭环调节VCO的输出功率,以稳定输出信号的幅度。
机器的接收机部分则相对简单,主要包含前置放大器,混频器和中频滤波/放大电路。输出的中频信号通过机器背后的连接器输送至显示模块。

拆解

内部整体结构(斜45度视图),功能分区很清晰,由射频/电源/控制/接口四部分组成

反面,有两块底板,右上角是独立的射频模块,可整体取下

连接两块底板电源的跳线

射频部分,从反面可以看到一块PCB用于提供电源和低速信号,射频信号则直接通过刚性同轴线互联。PCB的另一面是各个功能的射频模块,在PCB上可以看到白实线框出的模块外形,虚线绘制的同轴线连接图以及对应的模块功能和信号说明。这部分后面单独拆解

频率控制面板

旋钮不少,光是游标控制就有六个,需要全部拆除才能拆下面板

简单清理

面板反面,可以看到给LED数码管散热的散热片以及两个光电旋转编码器。HP8505是惠普比较早的采用了光电编码器旋钮的设备


游标调节电位器,其中1号游标由可以精调的多圈电位器控制,2-5号游标由普通电位器控制。机器的游标数量可以在1-5之间切换,1号游标所在的频率和幅度可通过显示模块上的数码管直接读出

藏在游标数量开关边上的IC,是一个数据选择器。当机器切换到HPIB远程控制时,开关的信号会被切断,由远程信号代替。这台网分的所有功能均可通过HPIB控制,因此机器的各个地方也散布了大量数据选择器,用于在远程模式下接管面板输入的信号

面板正面,同样采用自带译码/驱动的数码管

面板模块后面是整个机器的数字逻辑控制电路,有两块电路板,分别实现频率等数据的缓存和显示逻辑

显示逻辑板


缓存板,中间一排芯片是CD4029加减计数器,受面板上旋转编码器控制,用于缓存扫描的起止频率。下面一排是数据选择器,用于切换远程控制


这台机器的旋转编码器接口电路也很有意思,采用模拟电路检测脉冲频率,从而在用户快速旋转时切换到高速调节模式,而在用户缓慢旋转时使用精细调节模式。这样可以兼顾调节速度和精度,大大提升了使用体验。现在,这些花里胡哨的功能都可以在单片机里软件实现了,然而在当年却是相当硬核。

下面是藏在屏蔽盒里的低频模拟电路,主要实现扫频控制和驱动。从上往下依次是频率基准/YTO驱动/频率插值电路/扫频发生器/游标生成电路/预分频器和扫频控制电压缩放电路

模拟部分较敏感的信号采用同轴线和SMB连接器互联,而数字及不敏感的信号走背板PCB

打开屏蔽盖的样子

下面是每块板子特写。
首先是扫频控制电压缩放电路,这块板子上有两个DAC,接受来自面板的起止频率信号,对斜坡状的模拟扫频信号上下幅度进行控制,从而控制机器扫频的频率范围



来自ADI的DAC

进行模拟运算的金封运放

电源滤波电路。这些钽电容为固态钽电容,而且惠普给的电压余量往往都不是很多,因此时间长了很容易短路,也是机器中最容易故障的器件。

电路板一角

预分频/计数电路,用于检测接收本振的600KHz-1.3001GHz信号,将其转换为数字信号用于显示,同时将信号分频后提供给插值电路用于频率精调。



分频器IC由于频率较高,采用ECL工艺,发热量大。故安装有散热片

输入部分的屏蔽盒里也是一个ECL的高速10分频器

游标产生电路,根据面板上五个游标电位器的模拟值,在扫频信号达到游标位置时产生一个脉冲,控制显示部分绘制一个菱形标记




扫频电压发生电路,简单说就是通过一个积分器产生与频率等比变化的斜坡电压信号,控制YTO驱动电路,使得YTO的输出在4.2105~5.51GHz之间连续变化。
这块板子比较漂亮,正面没有阻焊,镀金没有氧化痕迹





隐藏在走线中间的[hp] Logo
这块电路板行云流水般的走线表明它是手工绘制的。8505里同时存在手工和CAD绘制的PCB,可能是由不同风格的工程师分别设计。

扫描选择电路,这块电路板用于根据不同的扫描模式和频率范围档位,对扫描电压信号进行进一步处理。机器除了线性扫描模式外还有对数频率扫描模式。






频率插值电路。上面所述的扫频电压发生电路产生的电压,控制的是YTO的粗调线圈电流。由于各部分电路引入的误差以及YTO自身可能存在的非线性,单纯靠粗调线圈很难达到频率精度要求。插值电路通过比较预分频电路测得的YTO实际输出频率以及扫频电压,驱动YTO的精调线圈,对频率进一步调节,使得输出频率更稳定。



屏蔽盒里是频率-电流转换电路,产生与本振频率等比变化的电流信号用于计算频率误差

屏蔽盒与外部连接的接线柱,其实是穿心电容,可最大程度降低传导干扰

金色的大功率电阻,电源稳压器的一部分

FM驱动器,用于接受频率插值电路产生的信号,驱动YTO的FM线圈实现频率精调



线圈驱动管

15KHz滤波器,用于消除杂散和调节频带之外的信号

主驱动器,驱动YTO的主调谐线圈



由于线圈驱动信号为电流信号,这块板子基本上是一个大功率电流源。金色的电阻是电流采样电阻

调整管

线圈驱动电压很高,为-40V,这是该电源轨的滤波电容

最后一块板子是10M/100M频率基准



99.999MHz晶振,用于产生100MHz信号


这颗ECL分频器将100MHz信号转换为10MHz

金光闪闪的SMB连接器

频率控制电路全家福

下面看机器后部,有几块接口板

这块PCB的功能手册没有写,推测是一些信号的中继与放大器。很多彩色的同轴线从这块板子引向机器各个功能模块


拆掉板子后的底板

六块板子全家福

这块是HPIB缓冲器,上面的拨码开关可以设置HPIB地址


HPIB控制逻辑板,中间是两块ROM,采用ASM状态机设计



频率缓存板,这块板用于缓存机器从HPIB接收到的频率信息以及机器内部的频率设置值,在HPIB控制器与机器内部电路之间起桥梁作用


开关及控制量缓存板,缓存HPIB接收到的开关量和模拟量信号,并且自带了DAC



OSD屏幕直读选件板。它采用了一颗HP nano处理器,用于将测量数据/设置参数等转换为字符和绘图指令,发送给HP8501A,再由8501A实现显示。在机器的信号处理/显示部分,也有一块类似的电路板,两个板子分别用于显示频率相关信息和幅度/相位相关信息。



最后一块神秘的电路板,应该起信号中转/放大作用,上面主要是些模拟开关和放大器



后面板上的混频器,为锁相选件的一部分

藏在角落里的放大器,没在意干啥用的

电源部分,机器的YTO也被安装在这处空间内

取下三块电源控制板,由于风扇在此处,这里灰尘较多。电源调整管被安装在右侧框架上
清理前后对比


电源滤波电容,从测量结果看没有老化

电源变压器

整流板,上面有一根似乎是后期维修焊的飞线,应该是连接器接触不良,直接心脏搭桥了

两块电源控制板,温度保护电路/crossbar过压保护电路也都在这两块板子上


Crossbar过压保护电路的晶闸管,过压时会导通并且短路电源轨,使保险丝烧断,从而保护后面脆弱的电路

一些微型保险丝,可以更换


YTO模块

YTO振荡器被包在铁壳中

接口板

层层包裹的YTO。由于YTO内包含磁体,且有较强的调谐磁场,必须做好充分的屏蔽

YTO振荡器本体,为了散掉调谐线圈产生的热量,涂有大量硅脂。因为担心影响精度,就不继续拆解了。如果今后能遇到坏的可以拆开看看


清理干净的电源底板,可以看到单点接地的走线从滤波电容接线柱辐射到各个部分

最后是机器的精髓,射频子模块

拆掉面板,可以看到一些调试用的状态指示灯

整个射频模块可以从机框中抽出

模块外观,四个N型连接器分别为射频输出口以及三个接收机输入口。通常情况下,要完成较为准确的测量,还需在8505A与待测网络之间加入外置的功分器,定向耦合器或者电桥。这套8505A配套的是50欧的HP 8503A S参数测量电桥,可以测量待测网络的S11 S21 S12 S22参数,我将在下一篇文章中展示。


与主机之间的接口及反面的接口板


接口板上有一个温度传感器,防止机器过热

射频接口

输出功率调节旋钮

面板反面

四个射频接口通过刚性同轴线连接至射频模块内部

输出功率档位开关触点氧化,顺手清理了一下


射频模块顶面和底面


错综复杂的刚性同轴线连接各个子模块,确保机器的指标不会受到震动等影响

拆掉两个螺丝,可以取下位于模块顶部的VCO单元。这个盒子内装有原理介绍中说的4.21GHz/4.2099GHz振荡器



模块侧面的线束以及VCO输出口


拆开盖子,底下分别是10MHz和9.9MHz锁相控制板




屏蔽盒与外界连接的接线柱

拆掉模块反面的盖子,可以看到两个大金块。金块中集成了VCO振荡器和射频采样器。模块周围则是VCO驱动电路。
整个振荡器的工作原理如下:
首先,VCO会产生4.2GHz左右的信号,采样器以机器内部提供的100MHz采样频率对VCO产生的信号进行采样。稍微了解点信号与系统知识后我们就能知道,采样信号其实是脉冲信号,包含了非常多的谐波。而100MHz的42次谐波就是4.2GHz。因此,采样器的42次谐波与VCO的输出混频后,便能得到一个频率比较低,且与输出频率相关的信号。
上述采样器的输出经过一个25MHz的低通滤波器,除了采样频率的42次谐波与VCO混频出的信号之外,其他的信号均被过滤掉。这个信号再与机器内部产生的10MHz/9.9MHz进行相位检测,去控制VCO的输出频率。最终当采样器输出与基准频率锁住之后,VCO的输出便是4.21GHz和4.2099GHz了。


VCO/采样器模块,盖子焊死无法打开。但据手册描述,内部为性能优异的蓝宝石基底电路

模块的部分引脚还串有抗干扰磁环

这三个屏蔽盒内部的是中频放大器,分别放大三个接收机输出的100KHz中频信号


拆散的射频模块,面板与中频放大器之间塞了衰减器与衰减器驱动板

中频放大器特写,三路的放大板看上去是完全一样的




衰减器驱动板


电控机械衰减器及其接口


以下是衰减器拆解。衰减器主体为CNC加工的铝块,外壳由铝片包裹,拆掉后挡板后可抽下铝壳



衰减器爆炸图

这个衰减器共有8个档位,有三个衰减片,衰减倍数分别是10db 20db和40db,以二进制方式控制。因此有三组驱动电磁铁

每个电磁铁有两个绕组,分别控制吸合与释放。同时,每个线圈还有两组配套的触点,在中心柱到位之后自动断开线圈供电,以防止线圈持续通电导致过热

触点与衰减片

衰减片特写,中间蓝色的镀膜是电阻。可以看出整个衰减片类似于一个Pi型电阻网络

触点受上方电磁铁控制,在短路片与衰减片之间切换。据说两边的尼龙柱比较容易损坏,是导致衰减器故障的主要原因。当然衰减片烧毁也是常见故障点之一

下面回到射频模块的拆解。这是射频模块剩余的部分,也是最耀眼的部分。本振/激励源混频器,接收混频器,YIG放大器等模块都在黑色的散热片下

拆除散热片,可以看到通体镀金的射频模块。每个模块上的标签说明了模块的用途,可以结合最开始的框图,看出它们在整个系统中的位置

因为太漂亮,下面是各个角度的图片,供欣赏




固定这些射频模块的铝底座也镀了金,可谓非常奢侈。我估计这是为了保证良好的接地而设计的

拆下一个模块看看

模块底部采用针脚与PCB上的插孔连接,不存在任何焊接,方便更换



虽然模块无法无损拆解,但我们可以通过1976年7月HPJ中的插图,大致了解模块内的结构


~本系列的第三篇到此结束,后续文章敬请期待。感谢阅读~

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