R&S FSIQ7 Signal Analyzer

Zu Weihnachten bekam ich ein tolles Geschenk. Nein, nicht den FSIQ7, den hatte ich bereits, vorallem um beruflich 5.9GHz Konstruktionen messen zu können. Was ich jedoch geschenkt bekam, war ein Fehler der allseits beliebten Kategorie "potentieller Kapitalschaden" in Form einer "LO unl" Meldung. Genauer "LO unl: YIG loop", es rastete also der Synthesizer des 1.LO aus.

Links oben die Fehlermeldung "LO unl"

Als vor kurzem ein Berufskollege bei mir im Labor war und ich ihm den FSIQ vorführte, sah ich zum Ersten Mal die Fehlermeldung. Sie blieb aber nicht konstant da sondern tauchte völlig chaotisch auf und verschwand dann wieder. Dann war wieder einige Zeit Ruhe. Eins ist aber fix: Sie darf eigentlich unter keinen Umständen jemals auftreten. Wenn sie es doch tut, ist irgendwas morsch. Ich dachte erst an kaputte Elkos und dergleichen und plante, mir das in nächster Zeit näher anzusehen.
Vor ein paar Tagen dann war der Fehler aber unmittelbar nach dem Einschalten da, und zwar die meiste Zeit. Er äusserte sich so, dass das Spektrum hin und her zitterte. Rein von der "Art des Herumwackelns" (mir fällt keine bessere Beschreibung ein), sah es irgendwie nach Wackelkontakt aus. Wenn mein alter HP mit freifliegender YIG Abstimmung sowas getan hätte, wär das eben mein erster Gedanke gewesen. Nur war die FSE Serie um Größenordnungen komplexer, vorallem in der Frequenzaufbereitung.

Die Firma R&S brachte mit dem FSA ca 1986 ihren ersten Spektrumanalyzer auf den Markt. Ein zweiteiliges massives Ungetüm von fast 60kg, aber mit erlesenen Eigenschaften. Synthesizergesteuert, großer Dynamikbereich, Messfunktionen, Farbbildröhre...
Nach der FSA Serie kamen dann in den 90ern mal die FSE Geräte. FSEA, FSEB, FSEM und FSEK mit 3.5, 7, 26.5 und 40GHz. Um 1998 wurde dann davon die FSIQ Serie abgeleitet. Die hatten dann z.B. die B7 Vektoranalyse serienmäßig drin und liefen auch unter der Bezeichnung "SIGNAL ANALYZER" anstatt "SPECTRUM ANALYZER". Diese Entwicklung fiel mit der starken Verbreitung der Mobilfunktechnik in den späten 90ern zusammen, als komplexe digitale Modulationsverfahren verwendet wurden und die Messgeräte natürlich schritt halten mussten.

Mit der B7 Vektoranalyse kann ein FSE viele Digitale Modulationen (BPSK, QPSK, 8PSK, FSK, 4FSK usw.) messen und demodulieren. Das geht auch mit Analogmodulationen (AM, FM, PM), wodurch man auch Einschwingvorgänge, Frequenzhub und andere Parameter ermitteln kann.
Weiters hat er eine Echtzeitdemodulation mit Lautsprecher, womit er sich für das Prädikat "Teuerstes Kofferradio der Welt" qualifiziert. Allerdings nur Mono. Vielleicht hat der NF Ausgang (3.5mm Klinke) vorne genug Bandbreite damit auch das ganze Stereomultiplexsignal durchpasst, dann könnte man ja einen MSDC2 Stereo-Messdecoder anklemmen (wenns versnobt sein soll) oder gleich einen FMA mit B3 Stereodekoder-Option (wenns richtig dekadent sein muss). Leider hab ich beide Geräte nicht...

Am Titelbild sieht man, wie gerade ein QPSK Signal als Konstellationsdiagramm angezeigt wird und unten ist die Symboltabelle zu sehen.

Die FSE Analyzer waren (und sind es von den Eckdaten eigentlich heute immer noch) absolute Spitzengeräte mit extrem guten Parametern.
Dementsprechend komplex sind sie natürlich auch aufgebaut. Da ist nichts mehr mit analogem Rampengenerator, Spindelpotis und Stufenschaltern wie beim alten HP 8569B. Da es sich um ein Ausrasten des Synthesizers (und dementsprechend im Ersten Moment auch des Eigentümers) handelt, musste ich mir folglicherweise erstmal das Synthesizerkonzept sehr genau anschauen, was mir allerdings zupass kam, denn Synthesizer sind eines meiner liebsten Themen. Ein Spektrumanalyzer ist eigentlich "nur" ein hochgezüchteter Überlagerungsempfänger der über den eingestellten Frequenzbereich sweept und dann die Signalstärke als Graph anzeigt. Um das Spiegelfrequenzproblem in den Griff zu bekommen, verwenden sie meistens eine hohe 1. ZF die höher ist als die höchste Eingangsfrequenz. Dadurch lassen sich sämtliche Spiegelfrequenzen mit einem Eingangstiefpass ausfiltern. Dieses Konzept hat natürlich Grenzen, denn bei einem 7GHz Analyzer liegt die 1. ZF dementsprechend über 7GHz und bei einem 26.5GHz Modell wäre diese Technik nicht mehr praktikabel. (Von 40GHz reden wir garnicht). über 7GHz verwendet zumindest R&S bei dieser Familie eine tiefere ZF und einen mitlaufenden YIG Preselector, um das somit wieder entstehende Problem mit den Spiegelfrequenzen zu lösen.

Siehe dazu auch "Neues von Rohde & Schwarz Heft 160 (1998/IV)" zum FSIQ, "Neues von Rohde & Schwarz Heft 152 (1996/III)" zum FSEM/FSEK sowie die jeweiligen Datenblätter und Broschüren

In dem hier vorliegenden FSIQ7 liegt die 1.ZF bei 7941.4MHz. Im zweiten Mixer wird sie mit einer auf 7200MHz verdoppelten 3600MHz Festfrequenz auf die 2.ZF von 741.4MHz heruntergemischt und dann mit einer 720MHz Festfrequenz auf die 3.ZF von 21.4MHz.

Der YIG hat einen Abstimmbereich von 7941.4MHz bis 14941.4MHz, das entspricht also genau einem Sweepbereich von 7GHz. Man sieht somit auch, dass der FSIQ7 7GHz als Grundwellenmischer ausgeführt ist. Selbst der FSEM mit 26.5GHz und sogar der FSEK mit 40GHz arbeiten noch mit Grundwellenmischung. Im Falle des FSEK allerdings nur bis 26.5GHz und darüber dann Harmonisch und mit Preselector, um Mehrdeutigkeiten zu vermeiden. Ältere Analyzer nutzen manchmal schon ab 2GHz Harmonische Mischer bei denen dann natürlich das Rauschen zunimmt und dadurch die Messdynamik schlechter wird.
Da sieht man, mit welchen Ansprüchen die R&S Entwickler an die FSE Serie herangegangen sind. Ziel war es, einen kompromisslosen Hochleistungsanalyzer zu erschaffen.

Nun aber zum Synthesizer. Ein YIG hat normal eine Grobabstimmung und eine Feinabstimmung. Diese sind als Spulen ausgeführt, da die YIG-Sphäre ihre Resonanz in Abhängigkeit vom Magnetfeld verändert. Der FRACSYN erzeugt eine extrem fein (<0.1mHz) abstimmbare Frequenz im Bereich von 475..700MHz. Diese wird dem YIG Sampler zugeführt und erzeugt dort in einem Pulsgenerator einen Frequenzkamm dessen Abstand zwischen zwei Spektrallinien der FRACSYN Frequenz entspricht. Anschließend wird die YIG Frequenz mit dem Frequenzkamm gemischt, wobei die Synthesizer ZF "IFSYN" entsteht. Diese Art von Mischer wird auch Samplingmischer genannt.
Da man anhand der IFSYN ja nicht sagen kann, welche Oberwelle genau für den Mischvorgang verantwortlich ist, muss der YIG vorher mittels DAC grob abgestimmt werden. Er wird dazu auf ca 30MHz (kann auch sein daß es beim 7GHz Modell oder je nach Betriebsart 60MHz sind) neben die gewollte Oberwelle des FRACSYN Signals gestellt und dann die resultierende IFSYN ZF gegen die 30/60MHz Festfrequenz mittels Phasendetektor und Loopfilter über die Feinabstimmung (YIGCON / FM-Coil) gelockt.
Wenn nun die FRACSYN verändert wird, folgt der YIG in seiner PLL Regelschleife. Dies ist natürlich nur in bestimmten Grenzen möglich. Nähert man sich dem Ende des Feinabstimmbereichs, muß der YIG auch in seiner Grobabstimmung verändert werden. Anmerkung: Hat man die B4 Low Phase Noise Option, läuft das Ganze bei Spans <30MHz etwas anders ab. Dort wird dann die FRACSYN Frequenz nicht direkt zum Sampeln benutzt sondern durch den Faktor 16 geteilt. Durch Frequenzteilung verbessert sich das Phasenrauschen eines Signals. In diesem Fall um über 20dB. Diese neue Frequenz wird als Interpolationsfrequenz INTPOL bezeichnet und dient dann zur Feininterpolation zwischen gröber gerasterten, äußerst phasenreinen Referenzen die auf der B4 durch Fractional-N Teilung aus der internen 720MHz Festfrequenz erzeugt werden.

Stark vereinfachtes Blockschaltbild des Synthesizers (Ohne B4 Low Phase Noise Option)

A130 RF MODULE Einschub. A132 YIG-Sampler beinhaltet den YIG Oszillator, Richtkoppler, Verstärker, Kammgenerator und Mixer (Samplemischer).
A131 RF-Converter 7 stellt das komplette Frontend des Analyzers dar. Bestehend aus Eingangstiefpass (Spiegelfrequenzunterdrückung), 1.Mixer, Verstärker und Filter für die 1.ZF, 2. Mixer und Tiefpass für die 2.ZF

Eine große Sorge war natürlich die, dass der YIG Sampler schadhaft sein könnte. Das wäre natürlich eine Katastrophe, denn der Sampler ist, genau wie der Eingangsconverter, komplett in Dünnfilmtechnik aufgebaut. Das bringt zwar Performance ohne Ende, aber im Fehlerfall ist einfach Schicht im Schacht mit direkt gebondeten Transistoren und Dioden.
Als erstes interessierte ich mich (abgesehen von den Betriebsspannungen die man sowieso immer prüfen sollte) also für die IFSYN aus dem Sampler, zumal der Analyzer im Unlock-Fall im Selbsttest auch mit der Meldung "RF Modul YIG Sampler" stehen blieb.
Ich zweigte die ZF ab und sah sie mir auf einem anderen Spektrumanalyzer an. War klar dass da im Betrieb ordentlich was los war, also stellte ich ihn erstmal auf Zero Span ein und da stand schön die Nadel bei -18dBm wie vom Manual verlangt.
Wenn der Fehler im Sweepmodus auftrat, hätte das Spektrum glatt als modernes Kunstwerk durchgehen können. Kaum wechselte ich aber in Zero Span, verschwand der Fehler in den allermeisten Fällen und die ZF war wieder da. Durch einige weitere Tests vergewisserte ich mich, dass der YIG Sampler keinen Schaden hat. Es sah vielmehr so aus, als würde einfach der YIG im Fehlerfall völlig chaotisch im Frequenzbereich herumzappeln. Dann prüfte ich den FRACSYN, der sah aber unauffällig aus und tat exakt was von ihm verlangt wurde. Die PRETUNE Spannung zum RF Modul verhielt sich auch so wie sie soll. Dabei wird der Analyzer auf definierte Frequenzen gestellt und dann die vom FRACSYN Modul gelieferte Grobabstimmspannung geprüft. Der statische YIG Abgleich wurde als nächstes kontrolliert. Man setzt den Analyzer in Zero Span auf 0Hz und dann auf 7GHz, dabei muss dann der YIG auf 7941.4MHz bzw. 14941.4MHz locken. Glücklich ist dann, wer einen 18GHz Zähler hat. Beim dieser Prozedur wird gleichzeitig die YIGCON Feinabstimmspannung kontrolliert und gegebenenfalls mit zwei Spindeltrimmern (für untere und obere Endfrequenz) auf 0V justiert. Diese Werte lagen zwar alterungsbedingt ganz leicht aus der Toleranz und wurden neu justiert, aber das brachte auch keine Verbesserung.

Besonders unangehem war, dass der Fehler typischerweise ein paar Minuten nach dem Einschalten da war, sich dann aber nicht mehr zeigte. Das bedeutet, ich hatte vielleicht 4-5min Zeit zum Messen und dann musste die Kiste mehrere Stunden abkühlen. Da überlegt man sich jeden Schritt sehr genau.

Jetzt kam ich langsam an den Punkt, wo ich einen Extender brauchen würde, damit die Module ausserhalb des Grundgeräts betrieben werden können. Ansonsten wird es mit dem Messen schwer. Die FSE Serie nutzt 96 bzw 64 Polige DIN 41612 Steckerleisten, von denen ich glücklicherweise sowohl Stecker als auch Buchsen im Lager hatte. Also ging ich ans Werk und baute mir einen Extender.

Etliche Meter 4x0.14mm2 LiYY Steuerlitze in 96 einzelne Adern zerlegt

Lötarbeiten schreiten voran

Der fertige FSE Extender

Nach mehrmaligem Durchmessen wäre nun der Moment da gewesen um den Extender einzusetzen. Aber wie es manchmal so ist, kam es etwas anders. Die A130 RF Baugruppe lag vor mir auf dem Tisch und ich betrachtete sämtliche Bauteile mit Lupe und gutem Licht.
Dabei eine ganz wichtige Anmerkung: Die Eingangsbuchse des ersten Converters, also da wo das Messsignal reinkommt, ist äußerst vorsichtig zu behandeln. Der dahinter liegende Mixer ist völlig ungeschützt! Normal hat er ja vor sich noch den Stufenabschwächer. Ich hab peinlich darauf aufgepasst, bloß nicht irgendwie an die Buchse zu kommen. Gleich danach hab ich die SMA Buchsen alle mit 50R Abschlüssen zugestoppelt, sicher ist sicher. Die Baugruppe sah unauffällig aus, keine Lötfehler zu sehen oder dergleichen. Ich prüfte mit dem Multimeter ob einer von den Tantals Probleme macht. Und wie es halt sein kann, wenn man sich eine gewisse kindliche Freude und die "einfach rumprobiern" Mentalität erhalten hat, maß ich auch oben bei den Potis für den YIG Abgleich herum. Ich plante eigentlich, nachher die A130 mittels Extender am Tisch zu betreiben (dabei schön mit einem externen Lüfter kühlen, Danke an Marc für den Hinweis!), die Biaspunkte abzuklappern und dabei vielleicht auch rauszufinden was mit der YIG Abstimmung passiert. Meine Gedanken gingen nämlich bereits in die Richtung, dass die YIG Abstimmtreiber irgendwas kunterbuntes aufführen im Fehlerfall. Die Potis hatten halt irgendwelche krummen Werte (logisch...), aber bei einem der Potis für den dynamischen Abgleich wackelte doch tatsächlich die hintere Kommastelle beim Multimeter! Ich dachte mir, das darf doch nicht wahr sein. Diese Potis hab ich nicht angerührt weil der dynamische Abgleich in der Spec war. Ich nahm also einen Schraubendreher und bewegte den Poti nur minimal und stellte ihn wieder auf den vorigen Wert ein. Danach stand der Messwert stabil. Analyzer zusammengebaut, hochgefahren und siehe da, Fehler weg!
Nach ein paar min Lockte er allerdings wieder aus, doch jetzt war ich gefasst darauf und gab dem Poti mit dem Schraubendreher einfach eine mit. Der Synthesizer lockte sofort wieder ein! Ich bin mir natürlich nicht zu 100% sicher, aber sämtliche Indizien deuten momentan darauf hin, dass ein banaler kratzender Poti einen High-End Spektrumanalyzer schachmatt gesetzt hat, der um 2000 mal etliche zigtausend DM gekostet hat (wenns langt).
Am besten wärs, ich tausche die verdächtigen Potis komplett aus und führe den dynamischen Abgleich neu durch. Doch ich bin ihnen erst mal mit Tuner 600 und Bewegungsübungen zuleibe gerückt, seitdem ist Ruhe. Im Gegensatz zu einem Volume-Poti eines Audioverstärkers können sie ja nicht wirklich verschlissen sein. Immerhin wurden sie vermutlich nur ein einziges Mal bewegt im Jahr 2000 als der Analyzer gefertigt wurde.

Weitere anstehende Arbeiten sind das Sichern der HDD (und der Umbau auf CF Karte) sowie der Tausch der Lithiumbatterie, denn der Analyzer glaubt nach jedem Einschalten es wär wieder 1997. (Wär in der tat manchmal schön, aber ist leider nicht...)

Unterseite von A130. Biaserzeugung für die Dünnfilmschaltungen in den HF Modulen sowie die Treiberschaltungen für die YIG Abstimmspulen (Grob und FM Spule). Diese Schaltung sitzt Links unten, wo man auch die Treibertransistoren für die Spulenströme sieht.

A140 FRAC SYN Einschub geöffnet. Man sieht den großen Thesys Chip (FRACSYN2 Fractional-N Chip), das Xilinx Gate Array, Oszillatoren, Teiler, Steuerlogik und in der mitte auf der Huckepackplatine ist der Frequenztransputer
Der 10MHz TCXO von Philips rechts unten ist die Referenz wenn man die OCXO/Low-Phase-Noise Option B4 nicht hat

A120 Low Phase Noise Option B4. Sie besteht aus einer Fractional-N PLL, einigen Teilern und Verstärkern

A120 von unten. Der OCXO ist auch auf diesem Modul zuhause.

Die FRACSYN wurde aufgrund ihrer Frequenz von ~700MHz sauber mittels Richtkoppler ausgekoppelt, während die IFSYN ganz brutal mittels T-Stück abgezweigt wurde

Der Tek 2712 zeigt FRACSYN, der FSEA die IFSYN.

Grün: Sweep Out, Gelb: YIGCON
Sieht genau so aus wie im Handbuch. Der Sweep ist in 2 Teilsweeps aufgeteilt. Während dieser Teilsweeps sieht man wie die YIGCON Spannung schön ansteigt.

(C) 2022 Ing. Christoph Baumann, OE2BCL

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