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)來實現(xiàn)低單邊帶(SSB)偏移相位噪聲性能,同時保持很快的頻率轉(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準性能,為研發(fā)(RD)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,有時高達8到10個,結(jié)果,轉(zhuǎn)換速度很慢,設(shè)計也十分復(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(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不大于理論限值,眾多工程師進行了大量的努力,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,這一點非常重要。一般是利用帶有分頻器的多個PLL來實現(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,可以實現(xiàn)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值低意味著很難獲得精細的頻率分辨率。要解決這一難題,同時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?shù)汀?
Panther 2500系列中,PLL頻率步進和參考調(diào)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),以同時實現(xiàn)信號純凈度和大環(huán)路帶寬。
較之傳統(tǒng)設(shè)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(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。
這種獨特架構(gòu)的計算結(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,Panther 2500系列信號發(fā)生器的振幅和頻率轉(zhuǎn)換時間小于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間。利用該公司的Automation XpressPC機軟件(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)換時間以實現(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(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)負載和測試的條件自動補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行調(diào)節(jié),在必須對測試信號的相位(或頻率)進行精細調(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)隊列無錯誤。
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