羅紹彬，何魚鑫，萬霏

（西南電子設(shè)備研究所，四川成都，610036）

0 引言

頻域參數(shù)是雷達(dá)各種特征參數(shù)中最重要的參數(shù)之一，是設(shè)備分選和威脅識(shí)別的重要依據(jù)[1]，瞬時(shí)測(cè)頻（IFM）具有較寬的瞬時(shí)頻率覆蓋范圍和比較大的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍,而且能夠以非常快的速度完成對(duì)信號(hào)頻率的測(cè)量，給出工程所需的測(cè)頻精度，同時(shí)具有極高的截獲概率，所以瞬時(shí)測(cè)頻在很多領(lǐng)域電子設(shè)備中得了到廣泛的應(yīng)用[2]。隨著電子設(shè)備的使用要求，能在各種溫度環(huán)境中，對(duì)頻率信息保持精確的測(cè)量非常重要，直接影響電子設(shè)備整機(jī)性能的發(fā)揮。影響瞬時(shí)測(cè)頻測(cè)量精度的因數(shù)很多，在工程中發(fā)現(xiàn)，溫度的影響是主要原因之一，文章以科研生產(chǎn)單位在實(shí)際工程中，整機(jī)生產(chǎn)調(diào)試人員對(duì)某型電子設(shè)備在進(jìn)行低溫環(huán)境工作試驗(yàn)，電子設(shè)備在低溫工作中，出現(xiàn)了測(cè)頻誤差大，超過了技術(shù)指標(biāo)要求的原因進(jìn)行分析和研究。

1 原理分析

在某型電子設(shè)備整機(jī)中，負(fù)責(zé)測(cè)頻指標(biāo)測(cè)試的模塊是使用瞬時(shí)測(cè)頻（IFM）原理設(shè)計(jì)的，采用微波干涉儀鑒相的方式進(jìn)行測(cè)頻，其工作原理是利用微波信號(hào)的干涉現(xiàn)象[3]，如圖1所示。

圖1 微波鑒相器的原理圖

將輸入射頻脈沖信號(hào)通過功分器分成兩路其中的一路通過延時(shí)線延遲，另一路為直通信號(hào)。將延遲和不延遲的兩路進(jìn)行相關(guān)比較，兩路的相位差和輸入射頻信號(hào)的載頻值之間有一固定的關(guān)系，這就是IFM 組件的工作基礎(chǔ)。關(guān)系如下：

（1）式中，φ: 相位差τ：延遲時(shí)間f：輸入射頻頻率值

當(dāng)延遲時(shí)間τ 為固定值時(shí)，相位差直接與輸入射頻頻率值成比例，這樣將鑒頻轉(zhuǎn)化為鑒相。再通過鑒相來測(cè)頻。

從設(shè)計(jì)圖上得知，該型瞬時(shí)測(cè)頻模塊由放大檢波組件和相關(guān)器組件和測(cè)頻編碼電路組成，其模塊的功能框圖如圖2所示。

圖2 瞬時(shí)測(cè)頻模塊功能框圖

工作過程：頻信號(hào)經(jīng)過放大檢波組件后產(chǎn)生用于鑒相的限幅射頻信號(hào)，同時(shí)也產(chǎn)生一個(gè)檢波同步視頻信號(hào)。限幅的射頻信號(hào)進(jìn)入相關(guān)器組件，產(chǎn)生幾組鑒相的視頻信號(hào)。所有的視頻信號(hào)均進(jìn)入編碼處理電路，編碼處理電路通過AD 量化對(duì)幾組鑒相視頻信號(hào)進(jìn)行頻率信息提取，同時(shí)也對(duì)放大檢波組件送出的檢波視頻信號(hào)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)處理，形成最終的同步信號(hào)。

該型測(cè)頻模塊采用了干涉儀鑒相的方式，核心關(guān)鍵的微波參數(shù)為相位，而微波器件（包括延遲電纜）的相位參數(shù)容易隨著溫度發(fā)生變化。因此目前的瞬時(shí)測(cè)頻模塊通過位于信號(hào)處理電路上的測(cè)溫電路單元來判斷周圍的環(huán)境溫度，再根據(jù)所測(cè)溫度形成一定溫度區(qū)間下的溫度校碼，將所發(fā)生的測(cè)頻誤差進(jìn)行相應(yīng)的修正，以此滿足瞬時(shí)測(cè)頻模塊的測(cè)頻精度的要求。

2 故障分析及定位

綜合上述瞬時(shí)測(cè)頻模塊工作原理的分析，造成測(cè)頻精度超差的原因進(jìn)行羅列，可能導(dǎo)致測(cè)頻精度超差的原因有：供電輸入異常、測(cè)頻前端模塊輸出信號(hào)頻率不正確、射頻電纜損壞、信號(hào)處理電路輸出單元異常、相關(guān)器檢波無輸出、延遲電纜相位變、化碼表生成錯(cuò)誤等，下逐一進(jìn)行分析。

2.1 供電輸入異常

瞬時(shí)測(cè)頻模塊的供電方式為機(jī)外供電，由電子設(shè)備整機(jī)母版上提供三組電源，分別為+12V、+5V、-5V。如果其中的某一路或者幾路電源無輸入或者是電壓值不正常均會(huì)導(dǎo)致整個(gè)瞬時(shí)測(cè)頻模塊工作不正常，從而導(dǎo)致瞬時(shí)測(cè)頻模塊測(cè)頻精度超差，因此首先檢查整機(jī)提供的電壓是否正常，經(jīng)檢查母板插座輸出地電源，確認(rèn)+12V、+5V、-5V 電源輸入正常，因此排除由供電造成故障的可能性。

2.2 測(cè)頻前端模塊輸出信號(hào)頻率不正確

瞬時(shí)測(cè)頻模塊的輸入信號(hào)是由測(cè)頻前端送入的，如果測(cè)頻前端輸入信號(hào)頻率不正確將會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)測(cè)頻模塊測(cè)頻精度超差，所以跳過測(cè)頻前端模塊，直接從信號(hào)源送信號(hào)進(jìn)入瞬時(shí)測(cè)頻模塊故障現(xiàn)象未發(fā)生改變，因此排除由于輸入信號(hào)異常導(dǎo)致瞬時(shí)測(cè)頻模塊測(cè)頻精度超差的故障。

2.3 射頻電纜損壞

將瞬時(shí)測(cè)頻模塊盒體蓋板拆開，檢查連接盒體面板插座和IFM 通用模塊之間的射頻電纜用頻譜儀進(jìn)行測(cè)量在有測(cè)頻精度超差的頻率點(diǎn)插損正常，可以排除射頻電纜損壞導(dǎo)致測(cè)頻精度超差故障。

2.4 信號(hào)處理電路輸出單元異常

根據(jù)上述原理進(jìn)行分析信號(hào)處理電路由于擔(dān)負(fù)將量化電平按照統(tǒng)一的編碼方式編成一組有序的二進(jìn)制碼的工作，如果出錯(cuò)將導(dǎo)致測(cè)頻精度超差的故障發(fā)生，信號(hào)處理電路輸出單元異常模式是13 位有個(gè)別位輸出始終為高電平或者低電平，經(jīng)全面測(cè)量整個(gè)工作頻段內(nèi)各個(gè)頻率，確認(rèn)13 位頻率碼的均為有序的高低變化，不存在上述現(xiàn)象，因此排除信號(hào)處理電路輸出異常導(dǎo)致測(cè)頻精度超差的故障。

2.5 相關(guān)器檢波無輸出

瞬時(shí)測(cè)頻模塊內(nèi)部相關(guān)器損壞同樣能夠造成測(cè)頻精度超差，檢查瞬時(shí)測(cè)頻模塊輸出的13 位頻率碼每一位的變換規(guī)律均與輸出該路頻率碼的相關(guān)器的變化周期一致，確認(rèn)無檢波器損壞導(dǎo)致的周期數(shù)變化的情況，因此排除了這一個(gè)可能。

2.6 延遲電纜相位變化

延遲電纜存在溫度情況下的相位變化，通過對(duì)兩個(gè)極端溫度環(huán)境低溫（-55℃）、高溫（+70℃）下對(duì)模塊進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試，均未發(fā)現(xiàn)測(cè)頻精度超差，也就是說延遲電纜的相位變化在溫度校碼的控制范圍之內(nèi)，因此排除了排本故障。

2.7 碼表生成錯(cuò)誤

通過復(fù)查故障件測(cè)頻模塊調(diào)試原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行全溫?cái)?shù)據(jù)合成時(shí)，數(shù)據(jù)合成發(fā)生了錯(cuò)誤，內(nèi)部數(shù)據(jù)少了-20℃的數(shù)據(jù)，如圖3 所示，在2000～3000 區(qū)域內(nèi)應(yīng)該裝載“低溫碼表1”的數(shù)據(jù)，結(jié)果把-55℃溫區(qū)數(shù)據(jù)當(dāng)成-20℃數(shù)據(jù)，導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)頻校準(zhǔn)誤差變大，使得在整機(jī)低溫環(huán)境試驗(yàn)工作時(shí)，測(cè)頻精度超差。

圖3 碼表生成錯(cuò)誤示意圖

2.8 故障定位結(jié)論

碼表生成時(shí)發(fā)生了錯(cuò)誤，把-55℃溫區(qū)數(shù)據(jù)當(dāng)成-20℃數(shù)據(jù)合成了，直接導(dǎo)致在整機(jī)試驗(yàn)時(shí)，低溫下測(cè)頻精度超差。

3 機(jī)理分析

電纜由于其應(yīng)用不同，內(nèi)部介質(zhì)不同，在工作溫度范圍內(nèi)的每個(gè)溫度點(diǎn)所反應(yīng)的電長(zhǎng)度變化特性也不同，相位發(fā)生變化[3]。鑒于瞬時(shí)測(cè)頻模塊采用了干涉儀鑒相的方式，核心關(guān)鍵的微波參數(shù)為相位，而延遲電纜的相位參數(shù)容易隨著溫度發(fā)生變化。延遲線電纜相位發(fā)生變化，鑒相組件輸出的脈沖信號(hào)的幅度也會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而造成采樣量化出來的頻率碼改變，因此隨著延遲線電纜相位發(fā)生變化，測(cè)頻精度超差[4]。

在設(shè)備進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，采用外部供液的方式，對(duì)電子設(shè)備工作提供冷卻。這個(gè)液冷對(duì)于-55℃環(huán)境下，實(shí)際效果變成了加熱。因此在進(jìn)行整機(jī)低溫試驗(yàn)時(shí)一旦啟動(dòng)液冷，便將模塊的溫度迅速提升。測(cè)頻模塊實(shí)際溫度在-20℃左右。由于模塊在調(diào)試階段碼表數(shù)據(jù)未在-20℃進(jìn)行溫度碼校準(zhǔn)，生成時(shí)就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，把-55℃溫區(qū)數(shù)據(jù)當(dāng)成-20℃數(shù)據(jù)合成了，直接導(dǎo)致在整機(jī)試驗(yàn)時(shí)，低溫下測(cè)頻精度超差。

為了驗(yàn)證瞬時(shí)測(cè)頻模塊低溫測(cè)頻超差的現(xiàn)象，進(jìn)行問題復(fù)現(xiàn)：(1）將出現(xiàn)故障的瞬時(shí)測(cè)頻模塊裝入整機(jī)中進(jìn)行低溫工作試驗(yàn)，在整機(jī)不開啟液冷的情況下，測(cè)頻精度不超差。開啟液冷，測(cè)頻均方根值不滿足指標(biāo)要求。(2）將瞬時(shí)測(cè)頻模塊單獨(dú)進(jìn)行低溫工作試驗(yàn)，溫箱溫度設(shè)為-20℃時(shí)，測(cè)頻均方根值同樣不滿足指標(biāo)要求。

4 方法與驗(yàn)證

根據(jù)以上分析，減少此類故障的發(fā)生，進(jìn)行高低溫摸底，摸底溫度除+70℃和-55℃，再增加一個(gè)-20℃溫度環(huán)境，在不同的環(huán)境溫度下進(jìn)行溫度校碼（校碼可重新匹配頻率和對(duì)應(yīng)的相位），形成獨(dú)立溫區(qū)數(shù)據(jù)，校碼完成后進(jìn)行驗(yàn)證：(1）按照整機(jī)的環(huán)境試驗(yàn)條件進(jìn)行測(cè)頻模塊摸底測(cè)試，測(cè)量的測(cè)頻精度的滿足要求。(2）將瞬時(shí)測(cè)頻模塊裝入整機(jī)中，再次進(jìn)行低溫環(huán)境試驗(yàn)，在整機(jī)工作中測(cè)試，測(cè)頻精度滿足的技術(shù)指標(biāo)要求。(3）按照上述方法，在不同的生產(chǎn)批次中，抽取10 件測(cè)頻模塊，完成溫度校碼并進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果是測(cè)頻精度全部滿足指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語

通過以上分析、驗(yàn)證，考慮溫度因數(shù)，采取以上措施，并在后續(xù)大批量的使用中，未發(fā)現(xiàn)類似問題。使用此方法，滿足設(shè)備在不同溫度環(huán)境下正常使用從而提高了設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能。為工程應(yīng)用提拱了一種可用的方法。