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2022-03-05 09:41:14
幾種微波信號發生器選擇比較
2022-03-05 09:41:14 來源: 網絡
信號發生器在測試系統中有明確規定的任務：模擬被測設備(DUT)在正常工作時可能遇到的信號。這種信號過去只是正弦波、脈沖或經過模擬調制的信號。但隨著通信格式不斷發展而不再局限于簡單的調幅(AM)和調頻(FM)，對信號發生器的要求正變得越來越高。隨著越來越多地設備使用數字調制格式(和非傳統的信號格式，如跳頻和超寬帶(UWB)通信)，新的信號發生器必須能夠模擬采用復雜數字調制方案的多頻信號。不僅如此，信號發生器的外形也在發生變化，從傳統的機架式或臺式儀器發展到了更緊湊的模塊，在曾經是一臺信號發生器占用的空間內現在可以擺放多臺分立信號源。
傳統的機架式信號發生器仍然在執行它們份內的測試任務，有時作為獨立的儀器，有時作為自動化系統的一部分，而大多數主要的測試設備制造商都能提供種類繁多的微波信號發生器，并且通常按頻率范圍來分類。選擇一款信號發生器要求匹配儀器的性能水平和實際應用需求，而頻率范圍、輸出功率、頻率和電平切換速度以及頻譜純度等參數通常是人們做出合理選擇的關鍵。
當然，沒有一臺信號發生器能夠滿足所有測試應用的需求，試圖提供足夠的帶寬、輸出功率、調諧速度和頻譜純度只會導致高昂的、可能超過大多數(如果不是全部)預算的價格。因此，大多數商用的信號發生器在銷售時會劃分為寬帶、通用儀器(如10MHz至18GHz)或“特定頻帶”儀器(覆蓋用戶感興趣的特定頻率，如用于衛星通信和電信應用的3.7GHz至4.2GHz和5.9GHz至6.4GHz)。本文將重點討論比較傳統的寬帶測試信號源。后續文章將介紹其它一些信號發生器類型，包括任意波發生器(AWG)和矢量信號發生器(VSG)。
在第一類具有寬調諧范圍的信號發生器內，Giga-tronics公司的2550B型產品(圖1)僅憑一臺儀器和一個(2.4mm)連接器就覆蓋了2GHz至50GHz的頻率范圍，并且通過一個選項還可以把頻率范圍擴展至10kHz。2500B系列中還有其它一些信號發生器，分別覆蓋10kHz至2.5GHz、2GHz至8GHz、2GHz至20GHz、2GHz至26.5GHz和2GHz至40GHz的頻率范圍，所有這些信號發生器都具有0.001Hz的頻率調諧分辨率。這些信號發生器可以提供許多對衛星測試應用來說極有價值的特性，包括大輸出功率、較快的切換速度和低相位噪聲。標配下的輸出功率在20GHz以下超過+20dBm，穩定到500MHz以下的新頻率所需的時間不到550μs，幅度穩定時間不到500μs。10GHz載波，1kHz偏移時的相位噪聲是-102dBc/Hz;10GHz載波，10kHz偏移時的相位噪聲是-108dBc/Hz，在50GHz范圍內諧波通常小于-30dBc，雜散通常小于-50dBc。
圖1：2550B型信號發生器具有寬調諧范圍，標準頻率范圍是2GHz至50GHz，并可擴展至10kHz。
在了解了有關頻譜純度的這些指標后，還需要注意，性能水平是頻率的函數，特別是在比較不同制造商的信號發生器時。以2550B型為例，從100MHz直到39.6GHz范圍內的諧波通常是-50dBc，在更高和更低頻帶諧波性能則較低。同樣，在直到10.1GHz的頻率范圍內，雜散性能可達-66dBc，在10.1GHz至39.6GHz范圍內雜散性能可達-54dBc。這些性能水平不僅是基頻振蕩器、基準振蕩器、產生信號發生器微波頻率所用的頻率合成方法的函數，而且是產生最高頻帶所用的乘法方案的函數。
其它寬帶臺式信號發生器包括安捷倫科技公司(Agilent Technologies)的MXG和PSG儀器、Anritsu公司的MG37000A系列信號發生器和羅德與施瓦茨公司(RS)的RS SMF100A微波信號發生器。所有這些信號發生器都包含達到毫米波頻率的版本，并具有很好的輸出功率和優秀的頻譜純度。例如，MXG系列信號發生器的頻率范圍為100kHz至20GHz、31.8GHz或40GHz，并且都具有0.01Hz頻率分辨率。20GHz以下的標準輸出功率為+11dBm，20GHz至40GHz的標準輸出功率為+7dBm，另有選項可將20GHz以下的輸出功率提升至+18dBm，將20GHz至40GHz范圍的輸出功率提升至+12dBm。
當工作在一系列編程頻率(列表模式)時，作為衡量切換到特定分辨率內的新頻率所需時間的指標——頻率穩定時間或切換速度在5ms或5ms以下(在比較這些數字時，認識到不同制造商可能使用不同的穩定時間定義很重要)。作為一個可選功能，切換速度可以被加速到典型的600μs。與許多典型的信號發生器一樣，標準配置時的輸出電平可以降低至約-20dBm，利用選配的內部步進衰減器還可以降低到-90dBm。相位噪聲典型值是-98dBc/Hz(6GHz或12GHz載波，20kHz偏移)。20GHz以下的諧波典型值為-60dBc，20GHz至40GHz的諧波典型值為-56dBc。而24GHz以下的雜散典型值為-50dBc，24GHz到40GHz時的雜散典型值是-45dBc。MXG信號發生器擁有大量調制選項，包括調幅(AM)、調頻(FM)、相位調制和脈沖調制。
E8257D是安捷倫PSG信號發生器系列產品中的一種，這一系列產品的頻率范圍覆蓋從250kHz至20GHz、31.8GHz、40GHz和67GHz，并且所有產品在連續波(CW)工作模式下具有0.001Hz頻率分辨率，在掃描或列表模式下具有0.01Hz分辨率。標準頻率穩定時間小于9ms，20GHz以下的信號輸出電平達+20dBm。在標準型號產品中這些輸出功率可以降低至-20dBm，在帶可選步進衰減器的產品中輸出功率可以降低到-110或-135dBm。相位噪聲典型值為-107dBc/Hz(20GHz載波，1kHz偏移)，而20GHz以下的諧波為-55dBc，40GHz以下的雜散典型值為-58dBc。
羅德與施瓦茨公司的RS SMF100A微波信號發生器具有一個非常容易使用的前面板顯示屏，上面有菜單選擇和測試系統設置(圖2)。標準型號產品的頻率范圍從1GHz至22GHz，可以通過一個選項擴展至100kHz，還可以通過另一個選項擴展至43.5GHz。頻率分辨率是0.001Hz，典型的穩定時間是2ms。20GHz以下的輸出功率約為+12dBm，標準產品中可以降低至-20dBm，帶內部步進衰減器配件的產品可降低至-130dBm。10GHz載波，20kHz偏移時的相位噪聲典型值為-115dBc/Hz;20GHz載波，20kHz偏移時的典型值為-109dBc/Hz。22GHz以下的諧波典型值為-55dBc，21GHz以下的雜散典型值為-56dBc。
圖2：RS SMF100A微波信號發生器可調諧至22GHz，具有一個非常簡單的前面板顯示屏。
Anritsu公司的MG37020A是另一款寬帶臺式信號發生器，是專為自動測試設備(ATE)系統等要求更快切換速度的應用設計的產品。該產品覆蓋10MHz至20GHz的頻率范圍，切換速度為100μs，可在10GHz以下的范圍內提供高達+19dBm的輸出功率，在10GHz至20GHz的范圍內提供高達+17dBm的輸出功率。通過選配的步進衰減器可以將輸出功率降低至-110dBm。10GHz載波，1kHz和10kHz偏移時的相位噪聲典型值是-92dBc/Hz;20GHz載波，1kHz和10kHz偏移時的相位噪聲是-86dBc/Hz。20GHz以下的諧波典型值是-50dBc，20GHz以下的雜散典型值是-40dBc。
為節省桌面空間，許多制造商開發出了更加緊湊的信號發生器，比如來自AnaPico公司的APSIN20G。這款信號發生器的尺寸為4.21x6.77x8.66英寸(106x172x220mm)，重量僅有6磅(2.5kg)，但功能十分齊全(圖3)，在10MHz至20GHz范圍內具有0.1MHz的頻率分辨率(可以通過選項將低頻延伸至100kHz)。輸出功率在-20dBm至+7dBm范圍內能以0.01dB分辨率調整，使用衰減器選件時輸出功率可低至-90dBm。這種微型信號發生器提供了一個通用串行總線(USB)端口，通過這個端口可連接至個人電腦。同時提供了一個AC-DC轉換器，工作電壓是+6VDC，工作電流為2.5A。該信號發生器還可以用電池工作，因而非常適合便攜式測試應用。
圖3：這臺微型信號發生器可調諧到20GHz，可以用電池組工作。
APSIN20G在10GHz載波，1kHz偏移時的相位噪聲是-100dBc/Hz，在10GHz載波，20kHz偏移時的相位噪聲是-108dBc/Hz。20GHz以下的諧波性能優于-50dBc，20GHz以下的雜散典型值是-40dBc。在列表或掃描模式下的頻率切換速度典型值是100μs。APSIN20G還擁有種類廣泛的調制格式，包括AM、寬帶FM、相位調制、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)、頻率啁啾和脈沖調制。
April Instrument公司在以小尺寸提供直到26.5GHz的高信號發生性能方面也享有很高聲譽。例如該公司的8004型產品，可以在2GHz至26.5GHz范圍內提供1MHz的分辨率，輸出功率在25GHz以下可達+8dBm。所有載波偏移20kHz時的相位噪聲為-80dBc/Hz，雜散典型值為-60dBc。
Vaunix Technology公司省去了信號發生器的顯示屏，他們設計的Lab Brick綜合測試源提供一個USB端口和基于計算機的圖形化用戶界面(GUI)。這個GUI軟件隨每個Lab Brick配的記憶棒發售。Lab Brick屬于緊湊型信號發生器，尺寸為4.90x3.14x1.59英寸，重量不到1磅，有多種型號可供選擇，頻率覆蓋范圍分為4GHz至8GHz(型號LMS-802)、5GHz至10GHz(型號LMS-103)和8GHz至12GHz(型號LMS-123)。所有型號具有100Hz頻率分辨率、100μs的頻率切換速度和+10dBm的輸出功率。Lab Brick提供脈沖調制，可執行相位連續頻率掃描。
最后，為實現更小的信號發生器，并提供多種用途，美國國家儀器公司(NI)的NI PXI-565x系列信號發生器采用了PXI模塊化格式，因此可以在機架式機箱中搭建出一套緊湊型測試系統，尺寸相當于傳統的信號發生器。NI PXI-545x發生器覆蓋500kHz至6.6GHz的頻率范圍，切換速度小于2ms，并支持多種調制格式。
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