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微波信号发生器基本工作原理及其指标概述

发布时间:2021-12-31      点击次数:743
  微波信号发生器基本工作原理及其指标概述
  1.基本概念
  利用和分析信号首先要产生信号,用于产生各种测试信号的仪器称为信号发生器或信号源。信号发生器所覆盖的范围很宽,就频段划分而言,有低频信号发生器、射频信号发生器、微波信号发生器、毫米波信号发生器;从波形特性上分,有正弦信号发生器、函数和任意波形信号发生器、脉冲信号发生器、随机信号发生器;从调制特性上分,有矢量信号发生器、模拟信号发生器、信号源;从频率切换时间上分,有通用信号发生器、捷变频信号发生器;就工作原理而言有直接振荡式、锁相式和直接频率合成式等等。
  微波信号发生器是指利用频率合成方式产生微波频段信号的专用信号发生装置。对于微波频段并没有严格的定义,目前微波信号发生器通常是指那些覆盖频段超过6GHz的信号发生器。随着频率合成技术、微电子电子技术、微波工艺技术以及计算机智能技术的不断创新发展与应用,微波信号发生器的性能指标越来越高,功能越来越丰富。在微波测试技术领域,从最基本的电子元器件性能测试,到大型电子装备系统性能综合评估,微波信号发生器的使用已渗透到研发、生产、试验、验收、维护保障等全寿命过程的各个环节,在航空、航天、卫星、通信、兵器等领域得到了广泛的应用。
  频率合成技术是微波信号发生器的核心技术,它直接决定了微波信号发生器的频谱纯度(相位噪声、杂散等),通常其性能高低在很大程度上决定了微波信号发生器的价格,对于频率覆盖相同的信号发生器,随着信号频谱纯度的增加,其价格可能会成倍的增长。
  频率合成是指采用物理的方法,对频率进行加减乘除运算,利用一个或几个标准频率信号产生所需信号。频率合成按合成方式可以分为直接频率合成和间接频率合成。直接频率合成是利用混频、倍频、分频等方法直接实现频率的变换,通常需要几个标准频率信号。间接频率合成一般是指利用锁相环(PhaseLockLoop,简称PLL)技术使输出的频率信号溯源到一个高频率准确度和高稳定度的标准频率信号上。目前微波信号发生器通常采用恒温晶体振荡器作为频率基准,其频率稳定性一般在10-9/day量级。
  微波信号发生器从二十世纪八十年代进入了全面发展时期,经过30多年的发展,已形成了自有的技术和产品体系,其频率覆盖越来越宽,目前已实现同轴连续频率覆盖100kHz~70GHz,波导覆盖几百个吉赫兹,输出功率越来越大,由早期的几个毫瓦到现在的几百毫瓦甚至瓦级,信号的频谱纯度越来越高,目前在10GHz频段10kHz频偏处的相位噪声已达-120dBc/Hz,而且还具备丰富的调制功能包括幅度调制、频率调制、相位调制、脉冲调制、矢量调制等。随着性能指标的提升,功能的丰富,其体积越来越小,智能化程度越来越高。
  2.典型工作原理
  目前典型微波信号发生器的基本构成如图1所示,共包括频率合成、信号调理以及调制3大单元:频率合成部分负责产生需要的频率或波形的信号,基本决定了微波信号发生器的频谱特性;信号调理部分实现信号幅度参数的调节,基本决定了微波信号发生器的功率特性;调制部分负责将低频调制信号调制到射频载波的某一参数上,如幅度、相位、频率等。再进一步细分,微波信号发生器的基本构成如图2所示。频率合成一般包括参考信号发生用以提供频率基准或者时钟,高分辨率中频环为整机提供精细的频率分辨率,本振环用以实现微波振荡器输出信号的下变频,微波主振及其驱动电路用以产生必要的微波频率覆盖,一般选用连续调谐的宽带微波振荡器承担,如微波压控振荡器(VCO)、YIG调谐振荡器(YTO)等。调制信号产生功能有些类似于函数发生器,产生调频、调相、调幅的基带信号和脉冲信号,目前微波信号发生器的调制信号还可以产生三角波、锯齿波、双正弦、脉冲重频参差、脉冲重频抖动等样式丰富的各种信号。信号调理部分通常包括对信号的放大、倍频、分段开关滤波(滤除信号的谐波和分谐波)、幅度调制器(实现对信号幅度大小的控制)、脉冲调制器、耦合检波以及ALC系统,由于具有ALC系统,微波信号发生器一般具有很高的功率控制精度和稳定性,控制精度一般达到0.1dB甚至更高,功率准确度一般在1dB以内。下面详细说明每部分的基本工作原理。
  (1)频率合成
  频率合成是微波信号发生器的核心组成部分,通过频率合成的闭环机制实时补偿修正主振驱动控制信号,实现微波主振输出频率和相位误差的实时修正,使其具备时基(频率参考)的相对准确度和长期稳定度。微波主振在驱动电路的作用下产生一定频率范围的信号,一般从几个吉赫兹到十几个吉赫兹,该信号为振荡器在驱动电路的作用下自由振荡产生,具有一定的频率误差并且不稳定。微波主振产生的信号一路进入信号调理部分,同时耦合出一路进入频率合成部分的反馈通路,通常是取样器或者谐波混频器,同时本振环产生的本振信号进入取样器,取样器的作用就是实现本振信号的N次谐波取样与主振反馈信号混频得到中频信号,中频信号进入鉴相器作为参考信号与高分辨率中频环过来的信号进行鉴相,得到的误差电压通过驱动电路实时补偿修正微波主振输出,由于每个环路的时基或者参考信号均来自参考发生,即同一个时基,因此最终通过频率合成后得到的信号获得了与时基同等的频率稳定度和准确度。
  频率合成部分中,由于是利用本振环产生信号的N次谐波实现对微波主振的下变频,本振信号的相位噪声和杂散均会以20logN的速度增加,因此要求本振信号要有比较好的相位噪声和杂散,它几乎直接决定了最终频率合成输出的近载波相位噪声(一般在100kHz频偏以内),频率合成输出的远载波相位噪声基本上由主振直接决定。对于中低端微波信号发生器,为了降低成本和技术难度,通常会不用本振环和取样器,而是直接采用分频器把微波主振信号分频进行鉴相,此时鉴相器的参考信号相位噪声就会以20logN的速度叠加到输出上(N为分频比),由于要获得高频率分辨率和低相位噪声往往存在矛盾,因此采用该频率合成方案的微波信号发生器一般频谱纯度不高。
  高分辨率中频环一般采用直接数字频率合成技术或者小数分频频率合成技术来实现,以获得高的频率分辨率,采用这两种技术目前微波信号发生器已能获得极高的频率分辨率,一般达到Hz级甚至豪赫兹级。由于直接数字频率合成存在难以获得很低的杂散以及在频率合成中不方便实现灵活的调频调相等,因此在高性能微波信号发生器中更多的采用小数分频频率合成技术。小数分频频率合成技术是通过设置环路反馈分频比为小数来提高频率分辨率的一种新型频率合成技术,是对环路反馈分频比为整数N的锁相环环路的巨大发展。它的英文全称是Fractional-NPhaseLockedLoop,常简称为FNPLL或N.FPLL。在参考频率不变的情况下,通过设置环路反馈分频比,FNPLL单环就可以实现任意小的频率分辨率,解决了单环锁相频率合成所不能解决的高鉴相频率与高分辨率之间的矛盾,也解决了DDS带宽的限制。
  (2)信号调理
  微波信号发生器的信号调理是指从频率合成部分输出的信号到射频端口输出的整个信号通路。一般频率合成输出的信号频率覆盖几个吉赫兹,为了获得整机的宽频率覆盖,通常要在信号调理部分进行倍频、分频以及混频等处理(严格来说这一部分从技术上也是频率合成),通过倍频实现向上的频率覆盖,目前已可以同轴方式实现到70GHz,波导方式可以到到几百个吉赫兹,利用分频或混频实现向下的频率覆盖,微波信号发生器的低频率覆盖一般达到100kHz量级。微波信号发生器的信号调理更多的还承担了对信号的放大、滤波以及对信号幅度的精确控制。通过对信号的逐级放大使输出得到更大的功率输出,倍频、分频以及混频必然带来基波、本振等的泄漏,对信号的逐级放大会不断恶化信号的谐波,这些都会对最终的应用带来不利的影响,需要对这类信号进行抑制处理,通常采用带通滤波器、低通滤波器以及高通滤波器。由于微波信号发生器的频率范围一般比较宽,因此在内部会对宽带信号进行分段处理,包括分段滤波、分段放大等。微波信号发生器为了获得大功率动态范围信号的输出,通常采用ALC系统(自动电平控制系统)以及程控衰减器扩展动态范围,目前高性能的微波信号发生器可从-130dBm到+20dBm,动态范围达到了150dB,而且还可以实现精细的功率步进,比如0.01dB的步进。
  ALC系统是微波信号发生器中除频率合成外的另一关键部分,在很大程度上决定了输出信号的功率(幅度)特性。所采用的典型ALC系统如图3所示。功率控制信号首先加到线性调制器(衰减器)上,线性调制器会随着控制信号的大小改变衰减值从而实现对射频信号大小的控制。此外,在射频通道中靠近输出端口一侧利用定向耦合器把射频信号耦合出一部分,利用宽带检波器转化为直流电压,将得到的反映信号功率大小的检波电压与稳幅环提供的功率参考电压相比较,得到的差求积分,最终用携带功率误差信息的积分输出驱动线性调制器实现对功率的闭环控制。通常情况下,为了保证功率参考电压的温度稳定性,在功率参考电路部分设计有温度补偿电路,实时监测功率参考电路的工作温度并对功率参考电压进行补偿,从而保证了微波信号发生器的输出功率稳定性,高性能的微波信号发生器功率稳定性可达到0.02dB/℃。
  3.微波信号发生器的典型ALC系统
  (3)调制信号的产生与调制
  微波信号发生器除了可以产生宽带、高频谱纯度、大功率动态范围的连续波(点频)信号外,另一重要的能力就是可以产生幅度调制、频率调制、相位调制以及脉冲调制信号,目前还有一类微波矢量信号发生器可以产生数字调制以及更复杂的信号,满足各种测试需求。微波信号发生器一般可以利用内部集成的函数发生器产生调制信号,也可以利用外部函数发生器通过输入接口实现调制,内部集成的函数发生器通常也成为内部调制信号发生器。
  内部调制信号发生器一般采用直接数字频率合成技术,为了实现更加丰富的信号样式通常不采用集成DDS芯片,而是利用FPGA和DAC的灵活波形产生方案,一般包括四个部分:第一部分是相位累加器,能够决定输出信号的频率范围以及精度;第二部分是任意波形查找表,用于存储经过量化和离散后的波形的幅度值;第三部分是数模转换,通过数模转换器将数字信号转换为相应的模拟波形;最后一部分是低通滤波,用来滤除镜像分量。原理框图如图4所示。为了同时实现幅度调制和频率/相位调制,一般内部会集成2到3个独立的调制信号发生电路。脉冲调制信号的产生由FPGA实现集成设计。
  调制信号的产生典型组成
  微波信号发生器幅度调制信号一般会在ALC系统中通过功率控制部分实现最终射频调幅信号的产生,调幅信号与ALC系统中的功率参考电平求和后一起加到线性调制器上实现对射频信号的幅度调制。
  微波信号发生器频率/相位调制一般会在频率合成部分完成,简单的调频/调相可以通过直接把调制信号加到振荡器的调谐端实现。对于采用YTO作为微波主振的信号发生器,其典型调频实现如图5所示。YTO内部调谐磁场由主线圈和副(调频)线圈两部分生成,前者感抗大、调谐慢但调谐灵敏度高、调谐范围宽、高频干扰抑制好;后者感抗小从而调谐范围窄但调谐速度快,并因为调谐灵敏度低而具有良好的干扰抑制特性。因此在实现调频时需要利用二者的结合。但是由于频率合成的作用,它的功能是保持输出信号的频率稳定性,与调频/调相作用相反,因此当调制率越低时由于频率合成锁相环的作用越难以实现调频,此时要想实现调频/调相,更好的方法是对锁相环频率合成的参考进行调制。
  5基于YTO的调频实现
  3主要技术指标及含义
  (1)频率特性
  1.频率范围
  微波信号发生器所产生的载波频率范围,该范围既可连续亦可由若干频段或一系列离散频率来覆盖亦称频率覆盖,通常用其上、下限频率表示,频带较宽的微波信号发生器一般采用多波段拼接的方式实现。
  2.频率准确度和稳定度
  微波信号发生器频率指示值和相应的真值的接近程度,可采用绝对频率准确度或相对频率准确度的方式给出。绝对准确度是输出频率误差的实际大小,一般以kHz、MHz等表示;相对准确度是输出频率误差与理想输出频率的比值,一般以10的幂次方表示,如1×10-6,1×10-8等。
  一台微波信号发生器的频率准确度可通过下式得到:
  频率准确度=±(载波频率x老化率x校准时间)
  如1台微波信号发生器的年老化率是3×10-8/年,校准时间间隔是1年,载波频率为10GHz,则校准后一年的频率准确度为±300Hz。
  3.频率稳定度
  微波信号发生器输出频率随温度或时间的变化特性,主要由内部时基决定,温度稳定性一般采用相对变化衡量,通常在10-7到10-8量级,随时间的变化特性一般采用日老化率或者年老化率来衡量,日老化率一般在10-8到10-10量级之间。
  4.频率分辨力
  微波信号发生器在有效频率范围内可得到并可重复产生的频率最小变化量,体现了窄带测量的能力,目前微波信号发生器一般能到赫兹甚至耗赫兹量级。
  5.频率转换时间
  微波信号发生器从频率开始变化起,到频率接近终止值并且与终止值的偏离保持在规定范围内的时间间隔。
  (2)频谱纯度
  1.谐波频率为基波频率整数倍的正弦波。输出信号中载波的二次谐波或多次谐波之和的有效值(或功率值)与载波基波有效值(或功率值)之比,通常用低于载波功率的分贝数表示,单位dBc。
  2.分谐波频率为基波频率整约数的正弦波。分谐波输出信号的有效值(或功率值)与载波基波有效值(或功率值)之比,用低于载波功率的分贝数表示,单位dBc。
  3.非谐波频率不等于基波频率整约数或整数的正弦波。非谐波输出信号的有效值(或功率值)与载波基波有效值(或功率值)之比,用低于载波功率的分贝数表示,单位dBc。
  4.单边带相位噪声是随机噪声对载波信号的调相产生的连续谱边带,用距离载波某一偏离处单个边带中单位带宽内的噪声功率对载波功率的比表示,单位dBc/Hz。
  5.剩余调频输出的无调制连续波信号在规定带宽内的等效调频频偏,单位Hz。
  (3)功率特性
  1.最大输出功率能提供给额定负载阻抗的最大功率。
  2.输出功率范围在给定频段内可以获得的可调功率范围。
  3.功率准确度在规定功率范围内输出信号提供给额定负载阻抗实际功率偏离指示值的误差。
  4.功率平坦度在某一功率输出条件下输出信号提供给额定负载阻抗实际功率输出随输出频率的相对起伏值。
  5.源电压驻波比(源驻波)由于外接负载特性变化而引起的射频输出端口驻波电压最大值和驻波电压最小值之比,它反映了微波信号发生器输出阻抗偏离标称阻抗的程度。
  (4)调制特性
  1)调幅按照给定的规律,改变载波幅度的过程。
  2)调幅准确度调幅深度指示值和相应真值的接近程度。
  3)调幅失真解调后的调幅信号相对调制前调幅信号的波形变形。
  4)调频按照给定的规律,改变载波频率的过程。
  5)调频频偏准确度调频频偏指示值和相应的真值的接近程度。
  6)调频失真解调后的调频信号相对调制前调频信号的波形变形。
  7)调相按照给定的规律,改变载波相位的过程。
  8)调相相偏准确度调相相偏指示值和相应的真值的接近程度。
  9)调相失真解调后的调相信号相对调制前调相信号的波形变形。
  10)脉冲调制按给定规律,载波在未调制电平和零电平之间重复接通和断开,而形成载波脉冲的过程。
  11)脉冲调制开关比
  脉冲期内输出的载波信号功率或电压的有效值与在载波脉冲间隔期间输出的剩余载波信号的功率或电压的有效值之比,以分贝数表示,也可以简单理解为脉冲调制时信号通断之间的比值。
  12)脉冲调制上升下降时间
  已调脉冲包络前后沿过渡波形的过渡持续时间,一般是从幅度的10%到90%的变化时间。
  13)脉冲调制电平准确度
  已调载波脉冲电平相对未调制前连续波电平的变化量,以分贝数表示。
  4典型应用及注意事项
  (1)典型应用:微波信号发生器的用途非常广泛,从简单的电阻、电容、电感等电子元件特性的测量,到雷达、电子装备、通信电台指标测试,甚至卫星、航天飞机、宇宙飞船等系统级的性能评估,均离不开微波信号发生器的支持。
  1.接收机性能测试:在雷达、通信、导航等诸多电子设备中,各类接收机是其主要组成部分和关键分设备之一,对装备的性能起着非常重要的作用。可利用微波信号发生器产生不同特性的标准信号,实现对接收机工作频率范围、灵敏度、动态范围、带宽、交调失真等诸多指标的测试。
  2.发射机本振替代:微波信号发生器也可用于发射机指标测试中,比如可替代发射机的本振信号或中频信号,实现对发射机增益、带宽等指标的测试。
  3.器件参数测试:在进行放大器、混频器、滤波器等器件特性测量时,微波信号发生器产生一定频率、功率的激励信号,注入到被测器件中,将经过器件后输出的信号与注入激励信号相比对,就可得到器件的带宽、频响、插入损耗、增益等指标。
  4.自动测试系统搭建:微波信号发生器还可与其它测量设备一起,搭建自动测试系统,从而大大提高测试效率和测试重复性。
  (2)使用注意事项:微波信号发生器是一种价格昂贵、技术复杂的测试仪器,具有很高的频率稳定度和准确度,在使用合成信号发生器时,应注意以下问题:
  阻抗匹配:微波信号发生器的典型输出阻抗为50Ω,故微波信号发生器与被测设备的连接电缆的特性阻抗必须是50Ω。在微波信号发生器的输出端,阻抗的失配表现为信号幅度的减小和高的电压驻波比。当微波信号发生器用于75Ω的设备时,通常应加一阻抗匹配衰减器进行匹配。
  时基预热:微波信号发生器内部都使用了高稳晶振作为时间基准,必须将仪器预热一段时间,让高稳晶振达到它预定技术指标后再使用,输出才能满足规定的稳定度和准确度指标。一般情况下,微波信号发生器内部晶振恒温装置的电源不经过仪器的电源开关,当仪器的电源插头插入插座后,无须开启仪器的电源开关,晶振的恒温装置就开始工作了。在对频率稳定度要求特别高的情况下,不应将仪器电源插头从交流电源插座中拔出。
  定期校准:微波信号发生器的输出频率准确度会随时间发生变化,因此,每隔一年时间或者根据需要,将微波信号发生器送交具备计量资格的单位重新调校一次。
  大功率反灌:微波信号发生器的输出阻抗一般为50Ω,当有大信号(瓦级功率的信号)反灌输入时很容易烧毁内部的微波电路,此外直流电压输入也很容易引起内部微波电路的烧毁,因此在使用过程中应特别注意避免大功率反灌信号,特别是输出接外部功放时应格外注意。
  用电安全:参照微波信号发生器电源要求,采用三芯电源线,使用时保证电源地线可靠接地,浮地或接地不良都可能导致仪器被毁坏,甚至对操作人员造成伤害。仪器不要处于容易形成雾气的环境,例如在冷热交替的环境移动仪器,仪器上形成的水珠易引起电击等危害。
  注意维护:微波信号发生器内部一般都装有散热风机和防尘滤网,来保证仪器内部的温度在安全工作范围内,为保证良好的通风性能,防尘滤网应根据使用说明书的要求定期清洗。另外,要使仪器背面空气流动畅通无阻,不应将仪器紧靠墙壁或堆放在其他发热的测试设备上面。
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