具速度和低相位噪声优势的信号发生器
日期：2010-4-20 10:06:09 点击：
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测试仪器制造商面临着一项挑战，即必需努力提供领先新兴技术一步的性能。这项任务尽管看起来很困难，不过，许多测量设备供应商通过与它们的设备和组件供应商以及客户密切合作，配合最新测试要求，仍取得了成功。对频率合成器而言，要求之一是快速的频率转换，此外是低相位噪声。一般来说，要在仪器中同时实现两者是很困难的。但新型的合成信号发生器Panther 2500系列具有出色的相位噪声性能和闪电般的转换速度，在这方面居领先地位。Panther 2500系列包括了4个模型，分别涵盖100kHz到8GHz、100kHz到 20 GHz、100kHz到 26.5 GHz以及 100kHz到 40 GHz四个频带，每一个都在全频带范围内具有0.0001 Hz的精细频率分辨率。 这些信号源可通过两种不同的结构予以提供，即bench-top (完全前板控制) 和自动测试设备(ATE)应用(背板输出)。
这种新式的测试信号发生器采用了Gigatronics公司正在申请专利的“累积高频反馈”(Accumulative High Frequency Feedback，AHFF)技术来实现低单边带(SSB)偏移相位噪声性能，同时保持很快的频率转换速度。这些新式的信号发生器具有高稳定度时基(high stability time base)、调频(FM)、高速脉冲/方波调制(PM)、调幅(AM)以及高输出功率等标准性能，为研发(R&D)和制造环境中的CW、调制、扫频和快速频率转换等应用提供了出色的测试解决方案。
频率合成器按照它是具有直接合成还是间接合成架构可分为两类。直接合成器能够利用模拟方法(混频、倍频、分频和滤波)或直接数字合成(DDS)，也可以是二者相结合。直接频率合成器具有出色的性能，但往往体积笨重，价格高昂，而且功耗高，可靠性差。
而2500信号发生器这类合成器一般都采用间接合成架构。这种架构利用信号转换路径锁相环(PLL)，较之直接合成架构成本较低，也更简单，故其尺寸也较小，功耗较低。不幸的是，为了满足军用和大规模测试应用的高性能要求，这类合成器常常需要多个PLL，有时高达8到10个，结果，转换速度很慢，设计也十分复杂。
单边带(SSB)相位噪声定义为，在给定频率偏移1Hz带宽内的噪声功率与载波信号功率之比。
在设计良好的PLL中，相位噪声分布作为载波偏移的函数，包含了两个截然不同的部分。第一部分是一个基准(pedestal)，从载波延伸到环路带宽，伴有自激振荡器噪声。第二部分通常以20dB/10倍频的速度单调下降，最终达到噪声基底。上述只是对用于这种目的PLL中相位噪声的简单描述。
过去数年间，为使第一部分的基准不大于理论限值，众多工程师进行了大量的努力，这一限值由参考噪声源乘以输出和参考频率的比值来决定。这一比值应尽可能低，这一点非常重要。一般是利用带有分频器的多个PLL来实现。这种方案能够提供良好的相位噪声，但增加了复杂些和成本。
在基于PLL的合成器架构中，相位噪声主要和PLL的输出频率与输入频率(或参考频率)之比值成比例。通过采用具有最低相位噪声的频率尽可能高的参考源，可以实现良好的输出相位噪声，因为给定输出频率的倍增因子(N)被最小化。不幸的是， N值低意味着很难获得精细的频率分辨率。要解决这一难题，同时又仍然保持很低的相位噪声，需要用到小数N和sigma-delta系统。
不过，这类系统的PLL必须具有比较窄的环路滤波器带宽，以防止杂散信号单边带通过导致转换速度的减慢。
AHFF技术
由Gigatronics公司工程师开发的AHFF技术，克服了小数N和sigma-delta系统的局限性，Panther 2500系列合成器即采用了这一技术，在单环路中获得了很低的N值，和非常精细的分辨率(图2)。这种方案采用了带有驱动PLL的变量的高频参考源，可通过把几种低噪声技术巧妙结合起来予以实现。PLL使用了一种新颖的高频预分频技术，相比传统的PLL合成方法，对于给定的相位噪声电平，可使输出频率与参考频率之比值相当低。
Panther 2500系列中，PLL频率步进和参考调谐的划分被非常谨慎地计算。目的在于力图保持大PLL带宽，同时提供高性能信号发生器所需的足够的杂散单边带抑制。必须注意到，更大的环路带宽对频率转换速度和相位稳定时间(settling time)都很有好处。需小心地技巧处理双调谐算法控制这些参数，以同时实现信号纯净度和大环路带宽。
较之传统设计，Panther 2500系列发生器中的相位检测器工作在高频下。这些信号发生器中的可调振荡器是一种工作在4 到10 GHz范围内的YIG调谐振荡器。其信号的一部分由小数预置分频器(Prescaler)处理，这样，相位检测器的信号在频率上接近参考频率。为了使YIG振荡器稳定，相位检测器把两个信号间的相位差馈入到环路电路和YIG振荡器中。高频参考源和小数预置分频器都依赖算法进行调谐，通过能确保相位快速稳定的足够宽的带环为杂散信号抑制提供正确的条件。
这种独特架构的计算结果如何？Panther 2500系列信号发生器能够提供卓越的闭合相位噪声性能(图3)，在10-GHz载波偏移100 Hz和1 kHz处分别小于-84 dBc/Hz和-104 dBc/Hz，在相同载波偏移10kHz和 100kHz处小于-111 dBc/Hz。从100 MHz到 20 GHz频带的谐波小于-55 dBc，20 GHz以上小于-30 dBc。非谐波杂散量在10 GHz小于-64 dBc，从10 到 20 GHz小于-60 dBc，20 GHz以上小于-54dBc。
在Panther 2500系列信号发生器中，YIG振荡器的输出由参考环路监控。参考环路具有被锁定在10MHz(内部或外部)的100 MHz恒温控制晶体振荡器 (OCXO)。PLL控制YIG振荡器的频率，故输出频率具有和参考振荡器相同的精度和稳定性。如果参考晶体振荡器的稳定度规格为3 10-8/每日，则在最后一次校准之后1 GHz处的最坏情况频率误差将测得为900 Hz。Panthers发生器具有高稳定性OCXO参考源，其日老化率小于5 10-10，温度稳定度优于2.5 10-8/C。通过采用更好的外部10-MHz或100-MHz参考源，可以提高精度。
对于1 GHz的频率步进，Panther 2500系列信号发生器的振幅和频率转换时间小于550 ?s。特别是在高吞吐量测试中，比如天线测试和雷达截面 (RCS)测量，若可以利用分析设备，这种转换速率可以大幅减小测试时间。利用该公司的Automation XpressPC机软件(每个发生器都配备有)，可能获得1-ms 的CW频率和功率转换时间以实现更快速的测试和更大的设备吞吐量。
这些发生器在8到20 GHz范围提供了 20 dBm的平均输出功率(图4)。通过增添一个90-dB的可编程步进衰减器(step attenuator)，可以加强输出功率控制。这些发生器可以把功率级调节降低到20 GHz以内-110 dBm，40 GHz以内-100 dBm，以精确控制输出功率。此外，利用内置的自动电平控制(ALC)电路，在100kHz到20 GHz频率范围，0 dBm信号的电平测量精度优于0.5 dB， 20 GHz到 40 GHz范围优于1.0 dB(图5)。
此外，2500A系列还包括有外部ALC功能性、DC FM和相位调节功能。外接ALC使2500A能够根据负载和测试的条件自动补偿自己的输出到给定电平。若2500系列的输出通过一根线缆或其他设备连接到某个设备上，会造成显著的驻波或信号衰减，这时一般会使用外部ALC功能。比如，行波管(TWT)的制造和测试中即有这类应用。由于这些真空器件的电压驻波比(VSWR)变化非常大，外部ALC可用来补偿TWT的输入变化，否则TWT可能只有几分贝。利用DC FM，操作人员可以通过外部控制来精细调节Panther 2500信号发生器的输出频率。这种相位调节功能可以对信号的输出相位进行调节，在必须对测试信号的相位(或频率)进行精细调节的应用中尤其有用。
最后，为易于使用，Panther 2500系列发生器的前板菜单被简化，使操作人员的效率得以提高。软屏(soft screen)和菜单层的数量被减至最少，从而简化了目录，更便于操作。所有的Panther 2500系列发生器都附带有Automation Xpress PC软件，这种软件是专门编写来改善用户手动操作的交互性能，以及提高ATE编程效率的。该软件采用广为人熟知的Microsoft Windows环境来简化复杂的ATE任务。通过业界领先的应用软件，比如Microsoft Excel 或 Notepad，工程师们能够在数秒内创建、管理并下载复杂的列表。Automation Xpress软件带有高速编程接口，可以大大加快执行速度。Panther 2500系列的自动编程器功能可确保在手动配置信号发生器期间，产生的ATE任务队列无错误。
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频率合成器按照它是具有直接合成还是间接合成架构可分为两类。直接合成器能够利用模拟方法(混频、倍频、分频和滤波)或直接数字合成(DDS)，也可以是二者相结合。直接频率合成器具有出色的性能，但往往体积笨重，价格高昂，而且功耗高，可靠性差。
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而2500信号发生器这类合成器一般都采用间接合成架构。这种架构利用信号转换路径锁相环(PLL)，较之直接合成架构成本较低，也更简单，故其尺寸也较小，功耗较低。不幸的是，为了满足军用和大规模测试应用的高性能要求，这类合成器常常需要多个PLL，有时高达8到10个，结果，转换速度很慢，设计也十分复杂。
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在设计良好的PLL中，相位噪声分布作为载波偏移的函数，包含了两个截然不同的部分。第一部分是一个基准(pedestal)，从载波延伸到环路带宽，伴有自激振荡器噪声。第二部分通常以20dB/10倍频的速度单调下降，最终达到噪声基底。上述只是对用于这种目的PLL中相位噪声的简单描述。
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在基于PLL的合成器架构中，相位噪声主要和PLL的输出频率与输入频率(或参考频率)之比值成比例。通过采用具有最低相位噪声的频率尽可能高的参考源，可以实现良好的输出相位噪声，因为给定输出频率的倍增因子(N)被最小化。不幸的是， N值低意味着很难获得精细的频率分辨率。要解决这一难题，同时又仍然保持很低的相位噪声，需要用到小数N和sigma-delta系统。
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Panther 2500系列中，PLL频率步进和参考调谐的划分被非常谨慎地计算。目的在于力图保持大PLL带宽，同时提供高性能信号发生器所需的足够的杂散单边带抑制。必须注意到，更大的环路带宽对频率转换速度和相位稳定时间(settling time)都很有好处。需小心地技巧处理双调谐算法控制这些参数，以同时实现信号纯净度和大环路带宽。
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这些发生器在8到20 GHz范围提供了 20 dBm的平均输出功率(图4)。通过增添一个90-dB的可编程步进衰减器(step attenuator)，可以加强输出功率控制。这些发生器可以把功率级调节降低到20 GHz以内-110 dBm，40 GHz以内-100 dBm，以精确控制输出功率。此外，利用内置的自动电平控制(ALC)电路，在100kHz到20 GHz频率范围，0 dBm信号的电平测量精度优于0.5 dB， 20 GHz到 40 GHz范围优于1.0 dB(图5)。
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此外，2500A系列还包括有外部ALC功能性、DC FM和相位调节功能。外接ALC使2500A能够根据负载和测试的条件自动补偿自己的输出到给定电平。若2500系列的输出通过一根线缆或其他设备连接到某个设备上，会造成显著的驻波或信号衰减，这时一般会使用外部ALC功能。比如，行波管(TWT)的制造和测试中即有这类应用。由于这些真空器件的电压驻波比(VSWR)变化非常大，外部ALC可用来补偿TWT的输入变化，否则TWT可能只有几分贝。利用DC FM，操作人员可以通过外部控制来精细调节Panther 2500信号发生器的输出频率。这种相位调节功能可以对信号的输出相位进行调节，在必须对测试信号的相位(或频率)进行精细调节的应用中尤其有用。
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