„Spurious Hack“ der Spectrum Analyzer HP8568A und HP8566A

Ein kurzer Kommentar zu Beginn: Der Folgende Bereicht ist nicht von mir (Martin) verfasst, sondern stammt von Heinz und wurde mir dankenswerterweise zur Veröffentlichung übersandt. Daher eine Bitte: Solltet ihr Fragen haben, schreibt sie direkt an Heinz als Mail und nicht als Kommentar unter diesen Beitrag. 🙂

So, nun aber los:

Modifikation zur Unterdrückung unerwünschter Spurious-Signale bei (f0-10.7 MHz)

Beide Analyzer zeigen bei einem zu messenden Signal mit f0, genau 10.7 MHz unterhalb von f0, ein Spurious-Signal, das ziemlich nervt und welches eigentlich am Eingang nicht existiert und dummerweise im Analyzer selbst entsteht. Dieser Beitrag beschreibt eine kleine Schaltungsmodifikation, die diesen unerwünschten Effekt beseitigt.
Der nachfolgende Screen-Plot, Abb. 1, zeigt den unerwünschten Effekt. Hierzu wurde ein Eingangs-CW-Signal mit 100 MHz und 0 dBm eingespeist. Diesen Träger sieht man im Plot in der Mitte. 10.7 MHz unterhalb dieser 100 MHz CENTER-Frequenz sieht man das störende Signal (roter Pfeil). Dieses Signal gibt es nicht am Eingang, leider aber auf der Anzeige.

Abb. 1 Screen-Plot, 100 MHz Signal mit Spurious (roter Pfeil) beim HP8568A.

Es geht also darum, diesen Spurious zu unterdrücken.
Zunächst einmal einige Bemerkungen zu den angesprochenen Spectrum Analyzers. Der HP8568A überstreicht einen spezifizierten Frequenzbereich von 100 Hz – 1.5 GHz (und ein bisschen mehr, ab 1.7 GHz fällt der angezeigte Pegel rasch ab). Es war einer der ersten Controller-gesteuerten Analyzer und hatte für die damalige Zeit ein super-niedriges Phasenrauschen, was man auch an der kleinsten Auflöse-Bandbreite (RES BW) von 10 Hz und einer Anzeigedynamik von 100 dB ablesen kann [1]. Beim LO handelt es sich natürlich um einen Synthesizer (heute gibt es selbstverständlich auch bessere Analyzer, gegen entsprechendes Bargeld).

Abb. 2 Frontansicht des Spectrum Analyzers HP8568A/B (unten RF-Section und oben IF-Section mit Anzeige).

Der große Bruder ist der HP8566A und hat dasselbe Anzeigegerät mit IF-Section, wie der HP8568A. Die IF-Section ist auch austauschbar zwischen HP8568A und HP8566A (falls man einmal so etwas sucht). Der HP8566A überstreicht einen Frequenzbereich von 100 Hz – 22 GHz (24 GHz unspecified). Aussehen und weitere Eigenschaften sind ähnlich. Der LO arbeitet natürlich wieder als Synthesizer (von der HP8671 Generator Serie ausgehend, weiterentwickelt) mit Oberwellenmischung für die höheren GHz-Bänder. Beide Geräte wurden in großen Stückzahlen hergestellt und sind in vielen Industrie-Laboren noch heute zu finden. Sie sind ausgesprochen servicefreundlich (wer ‘mal einen Avantek-Analyzer repariert hat, weiß was ich meine…). Auch gibt es sämtliche Serviceunterlagen, z.B. [2],[3] die keine Fragen offen lassen. Bei ebay werden die Geräte im 1K EUR Bereich gehandelt. Der HP8568A etwas günstiger, der HP8566A in der Regel oberhalb von 1K. Beide Geräte gibt es auch in der weiter entwickelten B-Variante, HP8568B und HP8566B. Diese B-Variante zeigt übrigens den oben beschriebenen spurious „bug“ nicht. HP schien offensichtlich mit diesem Spurious auch nicht zufrieden zu sein (diesmal nicht nach dem Motto: „it’s not a bug, it’s a feature“). Weitere allgemeine, vielleicht hilfreiche, Bemerkungen zu diesen Geräten am Ende des Berichts.
Um heraus zu finden, woher dieser störende Spurious kommt, sehen wir uns ein sehr vereinfachtes Blockschaltbild an und betrachten die Frequenzaufbereitung und Umsetzung mit den 3 Mischern (CONVERTERs). Siehe Abb. 3.
Schwarz dargestellt sind die Frequenzen für den gesamten Frequenzbereich (FULL SPAN). Jede beliebige Eingangsfrequenz wird am Ende auf die 21.4 MHz gemischt, um dann in dieser Frequenzebene den Filtern mit einstellbarer Bandbreite (RES BW) zugeführt zu werden.
Legt man ein Signal mit 100 MHz an (blau), wie auch oben im Plot, Abb. 1 dargestellt, wird dieses in Anzeigemitte, wenn der durchlaufende 1. LO gerade die passende Frequenz hat, nämlich (blau, 2150 MHz) wieder genau auf die 21.4 MHz gemischt.

Abb. 3 Vereinfachtes Blockschaltbild mit Mischern (CONVERTERs) und LOs zur Darstellung der Frequenzumsetzung.

In einem 2. Schritt betrachten wir, wie die Frequenzumsetzung für die Stelle erfolgt, die uns interessiert: Das Spurious-Signal ist 10.7 MHz unterhalb des angezeigten 100 MHz-Signals in Abb. 1 zu sehen. An dieser Stelle hat der 1. LO eine Frequenz, die 10.7 MHz niedriger ist, als 2150 MHz, also genau 2139.3 MHz (rot). Verfolgen wir nun die Signalkette, durch alle Mischer bis zum Ende, sehen wir, dass am Ende, in der 3. IF, eine Frequenz von 10.7 MHz (rot) entsteht. Dieses Signal sollte eigentlich von den folgenden, hochwertigen, IF-Filtern restlos weggefiltert werden und somit nicht weiter stören. Bei der Weiterverstärkung des 10.7 MHz-Signals entsteht aber nun, aufgrund von Nichtlinearitäten 2. Ordnung im nachfolgenden Verstärker, insbesondere bei hoher Aussteuerung, eine störende Oberschwingung, die natürlich mit 2 x 10.7 MHz genau 21.4 MHz beträgt und nun munter von der nachfolgenden Schaltung sauber durch alle Verstärker und Filter läuft und schließlich auch auf der Anzeige (bei 100 MHz – 10.7 MHz) zu sehen ist.
Zur Lösung könnte man den Verstärker intermodulationsfester machen (sehr aufwändig, zumal auch noch eine Verstärkungsregelung integriert ist) oder aber einfach das 10.7 MHz-Signal unterdrücken, so dass auch keine Oberschwingungen mehr entstehen können. Gesagt, getan, zwischen dem 3. Mischer (C) und dem nachfolgenden Verstärker (E), in Abb. 4, wird ein Parallelschwingkreis als Sperrkreis bei *) eingefügt. Ähnlich wird übrigens in den weiter entwickelten B-Varianten (HP8568B und HP8566B) vorgegangen. Dort liegt ein Sperrkreis, als Serienkreis ausgeführt, mit vergleichbarer Wirkung, an ähnlicher Stelle, etwas weiter hinten in der 21.4 MHz-Verstärkerkette, die auch ein wenig modifiziert ist. Die nachfolgende Abbildung 4 zeigt den Originalschaltungsauszug für den HP8568A und die Stelle *) für den zusätzlichen Sperrkreis, auch Notchfilter genannt.

Abb. 4 3. Mischer und 3. IF mit 21.4 MHz-Verstärker, HP8568A, Schematic Diagram A20; Operating and Service Manual HP8568A, Spectrum Analyzer, Volume 4, RF-Section.
Abb. 5 Notchfilter für 10.7MHz, Parallelschwingkreis mit L31 und C31.
Abb. 6 Mechanische Schaltungsmodifikation, Einbau des 10.7MHz-Sperrfilters in Unit „A20 THIRD CONVERTER“.

In Abbildung 5 ist das zusätzlich eingefügte Notchfilter für 10.7 MHz dargestellt. Die praktische Ausführung zeigt Abbildung 6. Das Spulengehäuse (dicker roter Pfeil) wurde auf den Mischer aufgelötet, so dass das Abstimmloch im Spulengehäuse durch ein anzubringendes Loch (dünner roter Pfeil) in der oberen Alu-Befestigungsplatte zur Abstimmung im eingebauten Zustand erreicht werden kann. Die Induktivität, bzw. die Spule weist 4 Windungen CuL auf, die Parallelkapazität hat 1500 pF. Der Abgleich erfolgt eingebaut, im betriebswarmen Zustand. Dabei wird die Spurious-Anzeige auf Minimum eingestellt. Die Einschubeinheit „A20 THIRD CONVERTER“ befindet sich in der RF-Section des HP8568A, von der Unterseite zugänglich.
Der gesamte Effekt basiert, wie schon erwähnt, auf Verzerrungen 2. Ordnung, ist also stark aussteuerungsabhängig. Wenn das anzuzeigende Signal (in unserem Fall 100 MHz als CENTER Frequency) dicht an der oberen Referenzlinie (REF) liegt, ist der Effekt am stärksten.
Das erzielte Ergebnis zeigt Abbildung 7. Das Spurious-Signal ist nun um ca. 20 dB niedriger und je nach RESOLUTION- und VIDEO-Bandbreite kaum noch sichtbar. (Ähnlich sieht es bei den B-Versionen HP8568B und HP8566B auch aus.)
Vergleicht man diesen Plot mit Abb. 1, ist die Verbesserung offensichtlich. Mit ein wenig Arbeit und dem Einbau eines Sperrfilters wurde also das PROBLEM GELÖST.

Abb. 7 Screen-Plot, 100 MHz Signal OHNE deutlichen Spurious beim HP8568A, verbleibender Spurious, siehe roter Pfeil.

Abschließende Bemerkungen zu den Geräten und zur A- und B-Version: Alle diese Analyzer werden bei ebay regelmäßig angeboten und sind, falls man genügend Platz hat und der Tisch die Masse von ca. 30 kg verträgt, sehr empfehlenswert. Es handelt sich um professionelle Geräte, die nicht ohne Grund mehrere Jahrzehnte produziert wurden und für den Dauereinsatz konzipiert waren. Sie sind ausgesprochen reparabel, es gibt komplette Serviceunterlagen im Netz, u.a. [2], [3] und Ersatzteile gibt es auch in Hülle und Fülle. Die Platinen sind in einzelnen vollständig abgeschirmten massiven Kammern eingesteckt. Mit erhältlichen Extenderboards sind Fehler schnell gefunden, da man direkt in den Schaltungen messen kann. In aller Regel sind die Einschübe/Platinen der A- und B-Versionen kompatibel.
Möchte man einen Digitalplotter (z.B. HP7475A oder ähnliche) direkt über GPIB an den Analyzer anschließen, empfiehlt es sich die B-Variante zu kaufen (HP8568B oder HP8566B), da die A-Variante (HP8568A oder HP8566A) nur über einen Analog-Plot-Ausgang verfügt (X-Y Schreiber). Plotter-Stifte für die Digitalplotter gibt es übrigens wieder zu kaufen. Hin und wieder wird auch ein Nachrüstsatz von A nach B bei ebay angeboten („HP 8568 AB Retrofit Kit“). Sollte einmal das Display (Bildröhre, grün) „morsch“ werden, was nur selten vorkommt, es werden sog. replacement displays angeboten (Simmconn Labs). Der Umbau ist problemlos und getestet, man hat dann sogar eine farbige Anzeige (Intensität wird in Farbe umgesetzt). Preis ca. 600 EUR.
Mit einem GPIB-USB Adapter, z.B. Prologix, lassen sich alle Funktionen der Analyzer per Computer steuern und die Messdaten auslesen. John Miles, KE5FX [4] bietet auch, großzügigerweise, zahlreiche Software (freier Download) für Plots, automatisierte Phase-Noise-Messungen, Surveillance-Betrieb (Wasserfall-Spektrum-Plots), usw., die alle über GBIP gesteuert werden und auch problemlos funktionieren.
Auf jeden Fall viel Spaß bei dem „Spurious Hack“ Deines HP8568A oder HP8566A!

Cheers, Heinz, DJ5FN

Heinz Schmiedel

schmiedel@ieee.org

Referenzen
[1] Hewlett-Packard Journal, JUNE 1978, pp. 1-23, www.hpl.hp.com/hpjournal/pdfs/IssuePDFs/1978-06.pdf
[2] KO4BB Manuals, Timing, Ham Radio, Test Equipment, www.ko4bb.com
[3] ArtekManuals, www.artekmanuals.com, ehemals Artek Media (pdf-Manuals in guter Qualität zu angemessenen, fairen Preisen)
[4] John Miles, KE5FX, www.ke5fx.com