具速度和低相位噪聲優(yōu)勢的信號發(fā)生器

　　這種新式的測試信號發(fā)生器采用了Gigatronics公司正在申請專(zhuān)利的“累積高頻反饋”(Accumulative High Frequency Feedback，AHFF)技術(shù)來(lái)實(shí)現低單邊帶(SSB)偏移相位噪聲性能，同時(shí)保持很快的頻率轉換速度。這些新式的信號發(fā)生器具有高穩定度時(shí)基(high stability time base)、調頻(FM)、高速脈沖/方波調制(PM)、調幅(AM)以及高輸出功率等標準性能，為研發(fā)(RD)和制造環(huán)境中的CW、調制、掃頻和快速頻率轉換等應用提供了出色的測試解決方案。

　　頻率合成器按照它是具有直接合成還是間接合成架構可分為兩類(lèi)。直接合成器能夠利用模擬方法(混頻、倍頻、分頻和濾波)或直接數字合成(DDS)，也可以是二者相結合。直接頻率合成器具有出色的性能，但往往體積笨重，價(jià)格高昂，而且功耗高，可靠性差。

　　而2500信號發(fā)生器這類(lèi)合成器一般都采用間接合成架構。這種架構利用信號轉換路徑鎖相環(huán)(PLL)，較之直接合成架構成本較低，也更簡(jiǎn)單，故其尺寸也較小，功耗較低。不幸的是，為了滿(mǎn)足軍用和大規模測試應用的高性能要求，這類(lèi)合成器常常需要多個(gè)PLL，有時(shí)高達8到10個(gè)，結果，轉換速度很慢，設計也十分復雜。

　　單邊帶(SSB)相位噪聲定義為，在給定頻率偏移1Hz帶寬內的噪聲功率與載波信號功率之比。

　　在設計良好的PLL中，相位噪聲分布作為載波偏移的函數，包含了兩個(gè)截然不同的部分。第一部分是一個(gè)基準(pedestal)，從載波延伸到環(huán)路帶寬，伴有自激振蕩器噪聲。第二部分通常以20dB/10倍頻的速度單調下降，最終達到噪聲基底。上述只是對用于這種目的PLL中相位噪聲的簡(jiǎn)單描述。

　　過(guò)去數年間，為使第一部分的基準不大于理論限值，眾多工程師進(jìn)行了大量的努力，這一限值由參考噪聲源乘以輸出和參考頻率的比值來(lái)決定。這一比值應盡可能低，這一點(diǎn)非常重要。一般是利用帶有分頻器的多個(gè)PLL來(lái)實(shí)現。這種方案能夠提供良好的相位噪聲，但增加了復雜些和成本。

　　在基于PLL的合成器架構中，相位噪聲主要和PLL的輸出頻率與輸入頻率(或參考頻率)之比值成比例。通過(guò)采用具有最低相位噪聲的頻率盡可能高的參考源，可以實(shí)現良好的輸出相位噪聲，因為給定輸出頻率的倍增因子(N)被最小化。不幸的是， N值低意味著(zhù)很難獲得精細的頻率分辨率。要解決這一難題，同時(shí)又仍然保持很低的相位噪聲，需要用到小數N和sigma-delta系統。

　　不過(guò)，這類(lèi)系統的PLL必須具有比較窄的環(huán)路濾波器帶寬，以防止雜散信號單邊帶通過(guò)導致轉換速度的減慢。

　　AHFF技術(shù)

　　由Gigatronics公司工程師開(kāi)發(fā)的AHFF技術(shù)，克服了小數N和sigma-delta系統的局限性，Panther 2500系列合成器即采用了這一技術(shù)，在單環(huán)路中獲得了很低的N值，和非常精細的分辨率(圖2)。這種方案采用了帶有驅動(dòng)PLL的變量的高頻參考源，可通過(guò)把幾種低噪聲技術(shù)巧妙結合起來(lái)予以實(shí)現。PLL使用了一種新穎的高頻預分頻技術(shù)，相比傳統的PLL合成方法，對于給定的相位噪聲電平，可使輸出頻率與參考頻率之比值相當低。

　　Panther 2500系列中，PLL頻率步進(jìn)和參考調諧的劃分被非常謹慎地計算。目的在于力圖保持大PLL帶寬，同時(shí)提供高性能信號發(fā)生器所需的足夠的雜散單邊帶抑制。必須注意到，更大的環(huán)路帶寬對頻率轉換速度和相位穩定時(shí)間(settling time)都很有好處。需小心地技巧處理雙調諧算法控制這些參數，以同時(shí)實(shí)現信號純凈度和大環(huán)路帶寬。

　　較之傳統設計，Panther 2500系列發(fā)生器中的相位檢測器工作在高頻下。這些信號發(fā)生器中的可調振蕩器是一種工作在4 到10 GHz范圍內的YIG調諧振蕩器。其信號的一部分由小數預置分頻器(Prescaler)處理，這樣，相位檢測器的信號在頻率上接近參考頻率。為了使YIG振蕩器穩定，相位檢測器把兩個(gè)信號間的相位差饋入到環(huán)路電路和YIG振蕩器中。高頻參考源和小數預置分頻器都依賴(lài)算法進(jìn)行調諧，通過(guò)能確保相位快速穩定的足夠寬的帶環(huán)為雜散信號抑制提供正確的條件。

　　這種獨特架構的計算結果如何？Panther 2500系列信號發(fā)生器能夠提供卓越的閉合相位噪聲性能(圖3)，在10-GHz載波偏移100 Hz和1 kHz處分別小于-84 dBc/Hz和-104 dBc/Hz，在相同載波偏移10kHz和 100kHz處小于-111 dBc/Hz。從100 MHz到 20 GHz頻帶的諧波小于-55 dBc，20 GHz以上小于-30 dBc。非諧波雜散量在10 GHz小于-64 dBc，從10 到 20 GHz小于-60 dBc，20 GHz以上小于-54dBc。

　　在Panther 2500系列信號發(fā)生器中，YIG振蕩器的輸出由參考環(huán)路監控。參考環(huán)路具有被鎖定在10MHz(內部或外部)的100 MHz恒溫控制晶體振蕩器 (OCXO)。PLL控制YIG振蕩器的頻率，故輸出頻率具有和參考振蕩器相同的精度和穩定性。如果參考晶體振蕩器的穩定度規格為3 × 10-8/每日，則在最后一次校準之后1 GHz處的最壞情況頻率誤差將測得為900 Hz。Panthers發(fā)生器具有高穩定性OCXO參考源，其日老化率小于5 × 10-10，溫度穩定度優(yōu)于2.5 × 10-8/°C。通過(guò)采用更好的外部10-MHz或100-MHz參考源，可以提高精度。

　　對于1 GHz的頻率步進(jìn)，Panther 2500系列信號發(fā)生器的振幅和頻率轉換時(shí)間小于550 ?s。特別是在高吞吐量測試中，比如天線(xiàn)測試和雷達截面 (RCS)測量，若可以利用分析設備，這種轉換速率可以大幅減小測試時(shí)間。利用該公司的Automation XpressPC機軟件(每個(gè)發(fā)生器都配備有)，可能獲得1-ms 的CW頻率和功率轉換時(shí)間以實(shí)現更快速的測試和更大的設備吞吐量。

　　這些發(fā)生器在8到20 GHz范圍提供了+20 dBm的平均輸出功率(圖4)。通過(guò)增添一個(gè)90-dB的可編程步進(jìn)衰減器(step attenuator)，可以加強輸出功率控制。這些發(fā)生器可以把功率級調節降低到20 GHz以?xún)?110 dBm，40 GHz以?xún)?100 dBm，以精確控制輸出功率。此外，利用內置的自動(dòng)電平控制(ALC)電路，在100kHz到20 GHz頻率范圍，0 dBm信號的電平測量精度優(yōu)于±0.5 dB， 20 GHz到 40 GHz范圍優(yōu)于±1.0 dB(圖5)。

　　此外，2500A系列還包括有外部ALC功能性、DC FM和相位調節功能。外接ALC使2500A能夠根據負載和測試的條件自動(dòng)補償自己的輸出到給定電平。若2500系列的輸出通過(guò)一根線(xiàn)纜或其他設備連接到某個(gè)設備上，會(huì )造成顯著(zhù)的駐波或信號衰減，這時(shí)一般會(huì )使用外部ALC功能。比如，行波管(TWT)的制造和測試中即有這類(lèi)應用。由于這些真空器件的電壓駐波比(VSWR)變化非常大，外部ALC可用來(lái)補償TWT的輸入變化，否則TWT可能只有幾分貝。利用DC FM，操作人員可以通過(guò)外部控制來(lái)精細調節Panther 2500信號發(fā)生器的輸出頻率。這種相位調節功能可以對信號的輸出相位進(jìn)行調節，在必須對測試信號的相位(或頻率)進(jìn)行精細調節的應用中尤其有用。

　　最后，為易于使用，Panther 2500系列發(fā)生器的前板菜單被簡(jiǎn)化，使操作人員的效率得以提高。軟屏(soft screen)和菜單層的數量被減至最少，從而簡(jiǎn)化了目錄，更便于操作。所有的Panther 2500系列發(fā)生器都附帶有Automation Xpress PC軟件，這種軟件是專(zhuān)門(mén)編寫(xiě)來(lái)改善用戶(hù)手動(dòng)操作的交互性能，以及提高ATE編程效率的。該軟件采用廣為人熟知的Microsoft Windows環(huán)境來(lái)簡(jiǎn)化復雜的ATE任務(wù)。通過(guò)業(yè)界領(lǐng)先的應用軟件，比如Microsoft Excel 或 Notepad，工程師們能夠在數秒內創(chuàng )建、管理并下載復雜的列表。Automation Xpress軟件帶有高速編程接口，可以大大加快執行速度。Panther 2500系列的自動(dòng)編程器功能可確保在手動(dòng)配置信號發(fā)生器期間，產(chǎn)生的ATE任務(wù)隊列無(wú)錯誤。