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。