微波與毫米波合成信號發生器

微波與毫米波合成信號發生器，以對一個或少數幾個頻率進行加、減、乘、除基本算術運算為特徵的頻率合成技術，把信號發生器的頻率穩定度和準確度提高到了晶體振盪器的水平，而且可以在很寬的頻率範圍內進行精細調節。

基本介紹

• 中文名：微波與毫米波合成信號發生器
• 類型：一種信號發生器
• 特點：頻率穩定度和準確度高
• 用途：用作測試儀器

基本概念

以電調振盪器或YTO等作為主振的微波信號發生器可以覆蓋整個微波與毫米波頻段，結構簡單，但是其頻率穩定度和準確度都較差，通常頻率的時間穩定度劣於/min，準確度在1‰以下。20世紀50年代初期開始發展起來的，以對一個或少數幾個頻率進行加、減、乘、除基本算術運算為特徵的頻率合成技術，把信號發生器的頻率穩定度和準確度提高到了晶體振盪器的水平，而且可以在很寬的頻率範圍內進行精細調節。此外，它的頻率、功率、調製等參數均可手動控制或程控控制。因此，作為一種寬頻高穩定信號發生器，它在現代電子測試技術中得到廣泛套用。

國內在1990年以前尚未有商品化的微波與毫米波合成信號發生器。“八五”期間，中國電子科技集團公司第四十一研究所開發完成的AV1481系列合成掃頻信號發生器填補了國內在這個領域的空白，主要技術指標達到國際90年代初期的先進水平。自1995年以來的10年間，陸續開發出了AV1480~1489、AV1461、AV1471等一系列合成掃頻信號發生器，頻率範圍一直拓展到了170GHz，並將寬頻同軸連續覆蓋提高到了60GHz，實現了我國高性能微波與毫米波合成信號發生器由無到有，由簡單掃源到高純頻率合成，由仿製到全正向設計，由單一型號向超寬頻、系列化、模組化的順利跨越。

今後國內微波與毫米波信號發生器主要有五個發展方向：一是將合成信號發生器的上限頻率拓展到1mm波段甚至太赫波段，寬頻連續覆蓋到110GHz；二是進一步開發高純合成信號發生器，滿足現代雷達等軍事裝備的測試需求；三是適應電子對抗領域的測試要求，開發捷變頻系列微波與毫米波合成信號發生器；四是針對武器裝備系統級測試評估需求，開發信號模擬系統，如多通道、多載波複雜電磁環境模擬；五是進一步降低合成信號發生器的成本，提高可靠性，針對國內用戶需求開發高性價比的微波合成信號發生器，加快普及合成信號發生器的使用。

國際上合成信號發生器的發展趨勢主要體現在以下幾個方面：小型化，進一步減小體積重量和成本；矢量調製頻寬等性能進一步提高，滿足現代數字通信領域技術發展的測試需求；提高跳頻速度和單邊帶相位噪聲，增加線性調頻等脈內複雜調製功能，滿足現代雷達和電子對抗裝備的測試需求；模組化儀器，滿足自動測試領域的需求。

基本工作原理

微波合成信號發生器的基本構成如圖1-1所示。主振電路及其驅動電路是信號發生器的核心，用以產生必要的微波頻率覆蓋，可選用連續調諧的寬頻微波振盪器承擔，如微波壓控振盪器（VCO）、YIG調諧振盪器（YTO）、返波管振盪器(BWO)等。主振驅動電路針對微波振盪器的特性進行驅動，使其工作於理想狀態。在主振驅動電路部分，還往往需要實現振盪器調諧特性的線性補償。頻率合成器的作用是通過補償修正主振驅動控制信號，實時修正微波振盪器的輸出相位差，使其具備時基（頻率參考）的相對準確度和長期穩定度。調製組件實現微波電平控制，主要部件是線性調製器和脈衝調製器。輸出組件則實現輸出微波信號的濾波放大、電平檢測等。ALC系統利用輸出組件檢測儀器輸出電平，自動調節調製組件動作，實現輸出電平穩幅（或調幅）。調製驅動器將調製信號變換成相應的驅動信號，並分別施加到對應的執行器件中。較高級的信號發生器自己能夠產生調製信號。

圖1-1 微波合成信號發生器的基本構成

1、 微波頻率合成

常用的微波頻率合成器實際上就是一個頻率墊枕鎖相環，如圖1-2所示，反饋網路採用調諧混頻器或微波取樣器，把微波主振的頻率輸出下變到射頻頻段鑒相併構成環路，最終實現對微波主振的鎖定。圖中帶通濾波器與隔離器互相配合，阻止本振及其在取樣器中產生的諧波干擾主振，從而造成不希望的泄漏或調製寄生輸出。

圖1-2 微波頻率合成原理框圖

2、 微波主振和調頻

由於YTO在頻率覆蓋，調諧線性，頻譜純度以及體積、重量和可靠性等方面的優勢，現代的寬頻微波合成信號發生器幾乎無一例外地採用YTO作為核心微波振盪器。YTO是以YIG小球為諧振子、微波電晶體為有源器件的固態微波信號發生器，其輸出頻率與內部調諧磁場有較好的線性關係。內部調諧磁場由主線圈和副（調頻）線圈兩部分生成，前者感抗大、調諧慢，但調諧靈敏度高、調諧範圍寬、高頻干擾抑制好；後者感抗小從而調諧範圍窄，但調諧速度快，並因為調諧靈敏度低而具有良好的干擾抑制特性。二者結合使用特別有利於既需要大範圍調諧又需要快速修正的寬頻微波信號發生器，並易於實現調頻（FM）。以YTO為核心振盪器的微波信號發生器主振及其驅動電路基本結構如圖1-3所示。

圖1-3 YTO主振及驅動電路基本結構

3、 毫米波擴頻

毫米波只是整個微波頻段中頻率比較高的一部分，其波長在毫米量級。並且，由於波導系統的限制，實際套用中往往是劃分成覆蓋範圍更窄的獨立波段，通常有26.5GHz~40GHz、33GHz~50 GHz、40 GHz~60 GHz、50 GHz~75 GHz、75 GHz~110 GHz、110 GHz~170 GHz等。從頻率合成的原理和方法的角度來看，毫米波合成同微波合成一樣，只是由於基本器件的性能限制，要注意實現技巧。

倍頻是獲得毫米波信號的一種有效方法。但是，毫米波尤其是三毫米波階躍恢復二極體（SRD）製造商不成熟，還沒有形成成熟的產品；變容管倍頻器仍然只適合於窄帶套用。這樣，限幅斬波和全波整流就成為毫米波倍頻的主要手段。因此，採用倍頻方法合成毫米波一般難以獲得大的功率輸出。而由於驅動門限和倍頻噪聲提升的限制、輸出電平也不易穩定。總之，倍頻輸出動態範圍較小。

倍頻法的優點在於獨立性和靈活性，它不依附於某個特定的儀器或系統，可以利用任何現成的微波信號發生器作倍頻驅動，如果要求不高，可以不是合成源。它也就無所謂掃頻與否，而完全取決於驅動源的特性，調頻和脈衝調製也是這樣。總的來說，倍頻法是一種低成本的選擇。

與倍頻方式相對應，基波合成有利於發揮主振大功率和低噪聲基底的優勢，但必須設計合適的主振和相應的下變頻鎖相電路。穩幅和調製只能在主振之後設計適當電路實現，能否調頻和掃頻則取決於鎖相和調諧驅動方式。原理如仍如圖1-2所示，只不過主振是電調諧毫米波振盪器，本振環將擴充為低噪聲微波合成器，取樣器也相應地工作發喔毫米波段，鑒於製造技術限制，毫米波諧波混頻器套用更普遍。

4、軟體

軟體不但要支持智慧型系統控制和實現機內邏輯控制，還要直接參與實現儀器的性能指標，如電平準確度和平坦度補償、YTO和YIG調諧濾波器（YTF）線性補償、掃頻準確度補償、頻率合成的數位化降噪等，不僅要用到CPU複雜的數學和邏輯運算，haunted往往需要附加數位訊號處理器（DSP）的複雜編程才能實現。儀器自檢也由以往簡單的狀態檢查發展到自檢測、自診斷、自校準和互動式調試指導等一系列高級功能，極大地提高了儀器可靠性，降低了維護費用。

鎖相合成由於其數位化的控制特徵，與軟體智慧型控制有著本質的內在聯繫。不僅如此，高檔合成源已經具備了某些掃頻特性，如步進掃描，通過軟體控制，合成源可以按一定的頻率間隔和停留時間在一定頻率範圍內將輸出頻率依次鎖定到一系列頻率點上，以實現掃頻的效果。與模擬掃頻相比，在一系列鎖相點上頻率極其準確，但頻率不是連續變化的，而是依次跳變。注意到步進掃描實際上是一種自動跳頻的連續波工作方式，各頻率點之間必須保證足夠的頻率預置和頻率捕捉時間，因此，大掃寬時往往步進很大，或者掃速極慢。高檔合成源的自動跳頻特性還可以設定成列表掃頻，其跳頻間隔、停留時間、甚至輸出功率都不必是常數，而可以是任意的合理預置值。或者說，可以把合成源的輸出定義為一個頻率、功率和停留時間的三坐標點的序列表，而讓合成源按這個表周而復始地工作。這種功能在跳頻保密通信、電子對抗等電子戰套用中非常重要。

主要技術指標

頻率特性

1、頻率範圍

頻率範圍亦稱頻率覆蓋，即信號發生器能提供合格信號的頻率範圍，通常用其上、下限頻率表示，頻帶較寬的微波信號發生器一般採用多波段拼接的方式實現。

2、頻率準確度和穩定性

頻率準確度是信號發生器實際輸出頻率與理想輸出頻率的差別，分為絕對準確度和相對準確度。絕對準確度是輸出頻率誤差的實際大小，一般以千赫、兆赫等表示；相對準確度是輸出頻率誤差與理想輸出頻率的比值。穩定度則是頻率隨時間變化的量度。

3、頻率分辨力

信號發生器能夠精確控制的輸出頻率間隔，體現了窄帶測量的能力。

4、頻率切換時間

該時間是指信號發生器從一個輸出頻率過渡到另一個輸出頻率所需要的時間。

5、頻譜純度

頻譜純度是指信號發生器在規定頻率範圍內的輸出信號在頻域上的純淨度。恆量頻譜純度主要採用以下三個指標：諧波、分諧波；非諧波；單邊帶相位噪聲。載波的相對諧波含量是指規定的一個諧波輸出信號或指定的一組諧波信號的有效值（或功率）與載波基波有效值（或功率）之比。載波的相對分諧波含量是指規定的分諧波輸出信號的功率值與載波基波功率值之比。單邊帶相位噪聲，是隨機噪聲對載波信號的調相產生的連續譜邊帶，一般來說越靠近載頻越大，因此用距載頻某一偏離處單個邊帶中單位頻寬內的噪聲功率對載波功率比表示。

輸出特性

1、輸出電平（輸出功率）

輸出電平指輸出信號的幅度大小，一般以功率來計量；規定了特性阻抗後，可以折合為電壓。

2、功率穩定度、平坦度和準確度

表征了信號發生器輸出幅度的時間穩定性和在全部頻率範圍內的幅度一致性和可信度。

功率穩定度是指信號發生器在其他條件保持不變的情況下，輸出信號幅度在規定時間內的變動量。

功率平坦度是指信號發生器在某一指定功率輸出條件下實際功率輸出隨輸出頻率的相對起伏。

功率準確度是指信號發生器在規定功率範圍上輸出信號功率的誤差。

典型套用

合成信號發生器是一種價格昂貴、技術複雜的測試儀器，具有很高的頻率穩定度和準確度，並可在很小的間隔任意調節輸出信號的頻率。它可作為調測各種接收機、放大器、傳輸設備以及晶體和窄帶濾波器等設備、器件的信號發生器。在使用合成信號發生器時，應注意以下問題。

1、 阻抗匹配

微波合成信號發生器的典型輸出阻抗為50Ω，故合成信號發生器與被測設備的連線電纜的特性阻抗必須是50Ω。在合成信號發生器的輸出端，阻抗的失配表現為信號幅度的減小和高的電壓駐波比。當合成信號發生器用於75Ω的設備時，通常應加一阻抗匹配衰減器進行匹配。

2、 時基預熱

合成信號發生器內部都使用了高穩晶振作為時間基準，一般將晶體振盪器放置在恆溫槽內，必須將儀器預熱一段時間，讓高穩晶振達到它預定技術指標後再使用，輸出才能滿足規定的穩定度和準確度指標。一般情況下，合成信號發生器內部將晶振恆溫裝置的電源不經過儀器的電源開關，當儀器的電源插頭插入插座後，無須開啟儀器的電源開關，晶振的恆溫裝置就開始工作了。在對頻率穩定度要求特別高的情況下，不應將儀器電源插頭從交流電源插座中拔出。

3、定期校準

合成信號發生器的輸出頻率好功率的準確度都會隨時間發生變化，因此，每隔一年時間，都需要將合成信號發生器送交具備計量資格的單位重新調校一次。

4、 注意維護

合成信號發生器內部一般都裝有散熱風機和防塵濾網，來保證儀器內部的溫度在安全工作範圍內，為保證良好的通風性能，防塵濾網應根據使用說明書的要求定期清洗。另外，要使儀器背面空氣流動暢通無阻，不應將儀器緊靠牆壁或堆放在其他發熱的測試設備上面。