測試儀器制造商面臨著一項(xiàng)挑戰(zhàn)，即必需努力提供領(lǐng)先新興技術(shù)一步的性能。這項(xiàng)任務(wù)盡管看起來很困難，不過，許多測量設(shè)備供應(yīng)商通過與它們的設(shè)備和組件供應(yīng)商以及客戶密切合作，配合最新測試要求，仍取得了成功。對頻率合成器而言，要求之一是快速的頻率轉(zhuǎn)換，此外是低相位噪聲。一般來說，要在儀器中同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩者是很困難的。但新型的合成信號發(fā)生器Panther 2500系列具有出色的相位噪聲性能和閃電般的轉(zhuǎn)換速度，在這方面居領(lǐng)先地位。Panther 2500系列包括了4個(gè)模型，分別涵蓋100kHz到8GHz、100kHz到 20 GHz、100kHz到 26.5 GHz以及 100kHz到 40 GHz四個(gè)頻帶，每一個(gè)都在全頻帶范圍內(nèi)具有0.0001 Hz的精細(xì)頻率分辨率。 這些信號源可通過兩種不同的結(jié)構(gòu)予以提供，即bench-top (完全前板控制) 和自動測試設(shè)備(ATE)應(yīng)用(背板輸出)。

　　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(gè)PLL，有時(shí)高達(dá)8到10個(gè)，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(gè)截然不同的部分。第一部分是一個(gè)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(gè)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?/p>

　　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(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(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(gè)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(gè)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(gè)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(cuò)誤。