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兼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公司正在申請專利的“累積高頻反饋”(Accumulative High Frequency Feedback，AHFF)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)低單邊帶( SSB)偏移相位噪聲性能,，同時(shí)保持很快的頻率轉(zhuǎn)換速度,。這些新式的信號發(fā)生器具有高穩(wěn)定度時(shí)基(high stability time base)、調(diào)頻(FM)、高速脈沖/方波調(diào)制( PM),、調(diào)幅( AM)以及高輸出功率等標(biāo)準(zhǔn)性能,，為研發(fā)(R&D)和制造環(huán)境中的CW、調(diào)制,、掃頻和快速頻率轉(zhuǎn)換等應(yīng)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(gòu)可分為兩類,。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(shù)字合成( DDS),，也可以是二者相結(jié)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)生器這類合成器一般都采用間接合成架構(gòu),。這種架構(gòu)利用信號轉(zhuǎn)換路徑鎖相環(huán)(PLL)，較之直接合成架構(gòu)成本較低,，也更簡單,，故其尺寸也較小，功耗較低,。不幸的是,，為了滿足軍用和大規(guī)模測試應(yīng)用的高性能要求，這類合成器常常需要多個PLL,，有時(shí)高達(dá)8到10個,，結(jié)果，轉(zhuǎn)換速度很慢,，設(shè)計(jì)也十分復(fù)雜,。

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

        在設(shè)計(jì)良好的PLL中,，相位噪聲分布作為載波偏移的函數(shù)，包含了兩個截然不同的部分,。第一部分是一個基準(zhǔn)(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(diào)下降,，最終達(dá)到噪聲基底。上述只是對用于這種目的PLL中相位噪聲的簡單描述,。

        過去數(shù)年間,，為使第一部分的基準(zhǔn)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決定,。這一比值應(yīng)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PLL來實(shí)現(xiàn),。這種方案能夠提供良好的相位噪聲,，但增加了復(fù)雜些和成本。

        在基于PLL的合成器架構(gòu)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(xiàn)良好的輸出相位噪聲,，因?yàn)榻o定輸出頻率的倍增因子(N)被最小化,。不幸的是， N值低意味著很難獲得精細(xì)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(shù)N和sigma-delta系統(tǒng),。

        不過,，這類系統(tǒng)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導(dǎo)致轉(zhuǎn)換速度的減慢,。

AHFF技術(shù)

        由Gigatronics公司工程師開發(fā)的AHFF技術(shù),，克服了小數(shù)N和sigma-delta系統(tǒng)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(xì)的分辨率(圖2)。這種方案采用了帶有驅(qū)動PLL的變量的高頻參考源,，可通過把幾種低噪聲技術(shù)巧妙結(jié)合起來予以實(shí)現(xiàn),。PLL使用了一種新穎的高頻預(yù)分頻技術(shù)，相比傳統(tǒng)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(dāng)?shù)汀?

        Panther 2500系列中， PLL頻率步進(jìn)和參考調(diào)諧的劃分被非常謹(jǐn)慎地計(jì)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(zhuǎn)換速度和相位穩(wěn)定時(shí)間(settling time)都很有好處,。需小心地技巧處理雙調(diào)諧算法控制這些參數(shù)，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號純凈度和大環(huán)路帶寬。

        較之傳統(tǒng)設(shè)計(jì),，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(diào)振蕩器是一種工作在4 到10 GHz范圍內(nèi)的YIG調(diào)諧振蕩器。其信號的一部分由小數(shù)預(yù)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(wěn)定,，相位檢測器把兩個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(shù)預(yù)置分頻器都依賴算法進(jìn)行調(diào)諧，通過能確保相位快速穩(wěn)定的足夠?qū)挼膸Лh(huán)為雜散信號抑制提供正確的條件,。

        這種獨(dú)特架構(gòu)的計(jì)算結(jié)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(jiān)控,。參考環(huán)路具有被鎖定在10MHz(內(nèi)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(wěn)定性,。如果參考晶體振蕩器的穩(wěn)定度規(guī)格為3 × 10-8/每日,，則在最后一次校準(zhǔn)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(wěn)定性O(shè)CXO參考源,，其日老化率小于5 × 10-10,，溫度穩(wěn)定度優(yōu)于2.5 × 10-8/°C。通過采用更好的外部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(zhuǎn)換時(shí)間小于550 ?s,。特別是在高吞吐量測試中,，比如天線測試和雷達(dá)截面 (RCS)測量，若可以利用分析設(shè)備,，這種轉(zhuǎn)換速率可以大幅減小測試時(shí)間,。利用該公司的Automation XpressPC機(jī)軟件(每個發(fā)生器都配備有)，可能獲得1-ms 的CW頻率和功率轉(zhuǎn)換時(shí)間以實(shí)現(xiàn)更快速的測試和更大的設(shè)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)。通過增添一個90-dB的可編程步進(jìn)衰減器(step attenuator),，可以加強(qiáng)輸出功率控制,。這些發(fā)生器可以把功率級調(diào)節(jié)降低到20 GHz以內(nèi)-110 dBm，40 GHz以內(nèi)-100 dBm,，以精確控制輸出功率,。此外，利用內(nèi)置的自動電平控制(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(diào)節(jié)功能,。外接ALC使2500A能夠根據(jù)負(fù)載和測試的條件自動補(bǔ)償自己的輸出到給定電平,。若2500系列的輸出通過一根線纜或其他設(shè)備連接到某個設(shè)備上，會造成顯著的駐波或信號衰減,，這時(shí)一般會使用外部ALC功能,。比如，行波管(TWT)的制造和測試中即有這類應(yīng)用,。由于這些真空器件的電壓駐波比(VSWR)變化非常大,，外部ALC可用來補(bǔ)償TWT的輸入變化，否則TWT可能只有幾分貝,。利用DC FM,，操作人員可以通過外部控制來精細(xì)調(diào)節(jié)Panther 2500信號發(fā)生器的輸出頻率。這種相位調(diào)節(jié)功能可以對信號的輸出相位進(jìn)行調(diào)節(jié),，在必須對測試信號的相位(或頻率)進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)的應(yīng)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化,，使操作人員的效率得以提高。軟屏(soft screen)和菜單層的數(shù)量被減至最少,，從而簡化了目錄,，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,，這種軟件是專門編寫來改善用戶手動操作的交互性能,，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)境來簡化復(fù)雜的ATE任務(wù),。通過業(yè)界領(lǐng)先的應(yīng)用軟件,，比如Microsoft Excel 或 Notepad,，工程師們能夠在數(shù)秒內(nèi)創(chuàng)建、管理并下載復(fù)雜的列表,。Automation Xpress軟件帶有高速編程接口,，可以大大加快執(zhí)行速度。Panther 2500系列的自動編程器功能可確保在手動配置信號發(fā)生器期間,，產(chǎn)生的ATE任務(wù)隊(duì)列無錯誤,。