微波信號發(fā)生器選擇指南

信號發(fā)生器在測試系統(tǒng)中有明確規(guī)定的任務(wù)：模擬被測設(shè)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(jīng)過模擬調(diào)制的信號。但隨著通信格式不斷發(fā)展而不再局限于簡單的調(diào)幅(AM)和調(diào)頻(FM)，對信號發(fā)生器的要求正變得越來越高。隨著越來越多地設(shè)備使用數(shù)字調(diào)制格式(和非傳統(tǒng)的信號格式，如跳頻和超寬帶(UWB)通信)，新的信號發(fā)生器必須能夠模擬采用復(fù)雜數(shù)字調(diào)制方案的多頻信號。不僅如此，信號發(fā)生器的外形也在發(fā)生變化，從傳統(tǒng)的機(jī)架式或臺式儀器發(fā)展到了更緊湊的模塊，在曾經(jīng)是一臺信號發(fā)生器占用的空間內(nèi)現(xiàn)在可以擺放多臺分立信號源。

傳統(tǒng)的機(jī)架式信號發(fā)生器仍然在執(zhí)行它們份內(nèi)的測試任務(wù)，有時作為獨(dú)立的儀器，有時作為自動化系統(tǒng)的一部分，而大多數(shù)主要的測試設(shè)備制造商都能提供種類繁多的微波信號發(fā)生器，并且通常按頻率范圍來分類。選擇一款信號發(fā)生器要求匹配儀器的性能水平和實(shí)際應(yīng)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(shù)通常是人們做出合理選擇的關(guān)鍵。

當(dāng)然，沒有一臺信號發(fā)生器能夠滿足所有測試應(yīng)用的需求，試圖提供足夠的帶寬、輸出功率、調(diào)諧速度和頻譜純度只會導(dǎo)致高昂的、可能超過大多數(shù)(如果不是全部)預(yù)算的價格。因此，大多數(shù)商用的信號發(fā)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(wèi)星通信和電信應(yīng)用的3.7GHz至4.2GHz和5.9GHz至6.4GHz)。本文將重點(diǎn)討論比較傳統(tǒng)的寬帶測試信號源。后續(xù)文章將介紹其它一些信號發(fā)生器類型，包括任意波發(fā)生器(AWG)和矢量信號發(fā)生器(VSG)。

在第一類具有寬調(diào)諧范圍的信號發(fā)生器內(nèi)，Giga-tronics公司的2550B型產(chǎn)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(xiàng)還可以把頻率范圍擴(kuò)展至10kHz。2500B系列中還有其它一些信號發(fā)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(fā)生器都具有0.001Hz的頻率調(diào)諧分辨率。這些信號發(fā)生器可以提供許多對衛(wèi)星測試應(yīng)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(biāo)配下的輸出功率在20GHz以下超過+20dBm，穩(wěn)定到500MHz以下的新頻率所需的時間不到550μs，幅度穩(wěn)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(nèi)諧波通常小于-30dBc，雜散通常小于-50dBc。

圖1：2550B型信號發(fā)生器具有寬調(diào)諧范圍，標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍是2GHz至50GHz，并可擴(kuò)展至10kHz。

在了解了有關(guān)頻譜純度的這些指標(biāo)后，還需要注意，性能水平是頻率的函數(shù)，特別是在比較不同制造商的信號發(fā)生器時。以2550B型為例，從100MHz直到39.6GHz范圍內(nèi)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(nèi)，雜散性能可達(dá)-66dBc，在10.1GHz至39.6GHz范圍內(nèi)雜散性能可達(dá)-54dBc。這些性能水平不僅是基頻振蕩器、基準(zhǔn)振蕩器、產(chǎn)生信號發(fā)生器微波頻率所用的頻率合成方法的函數(shù)，而且是產(chǎn)生最高頻帶所用的乘法方案的函數(shù)。

其它寬帶臺式信號發(fā)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(fā)生器和羅德與施瓦茨公司(RS)的RS SMF100A微波信號發(fā)生器。所有這些信號發(fā)生器都包含達(dá)到毫米波頻率的版本，并具有很好的輸出功率和優(yōu)秀的頻譜純度。例如，MXG系列信號發(fā)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(biāo)準(zhǔn)輸出功率為+11dBm，20GHz至40GHz的標(biāo)準(zhǔn)輸出功率為+7dBm，另有選項(xiàng)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(dāng)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(nèi)的新頻率所需時間的指標(biāo)——頻率穩(wěn)定時間或切換速度在5ms或5ms以下(在比較這些數(shù)字時，認(rèn)識到不同制造商可能使用不同的穩(wěn)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(fā)生器一樣，標(biāo)準(zhǔn)配置時的輸出電平可以降低至約-20dBm，利用選配的內(nèi)部步進(jìn)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(fā)生器擁有大量調(diào)制選項(xiàng)，包括調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)、相位調(diào)制和脈沖調(diào)制。

E8257D是安捷倫PSG信號發(fā)生器系列產(chǎn)品中的一種，這一系列產(chǎn)品的頻率范圍覆蓋從250kHz至20GHz、31.8GHz、40GHz和67GHz，并且所有產(chǎn)品在連續(xù)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(biāo)準(zhǔn)頻率穩(wěn)定時間小于9ms，20GHz以下的信號輸出電平達(dá)+20dBm。在標(biāo)準(zhǔn)型號產(chǎn)品中這些輸出功率可以降低至-20dBm，在帶可選步進(jìn)衰減器的產(chǎn)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(fā)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(tǒng)設(shè)置(圖2)。標(biāo)準(zhǔn)型號產(chǎn)品的頻率范圍從1GHz至22GHz，可以通過一個選項(xiàng)擴(kuò)展至100kHz，還可以通過另一個選項(xiàng)擴(kuò)展至43.5GHz。頻率分辨率是0.001Hz，典型的穩(wěn)定時間是2ms。20GHz以下的輸出功率約為+12dBm，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品中可以降低至-20dBm，帶內(nèi)部步進(jìn)衰減器配件的產(chǎn)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(fā)生器可調(diào)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(fā)生器，是專為自動測試設(shè)備(ATE)系統(tǒng)等要求更快切換速度的應(yīng)用設(shè)計的產(chǎn)品。該產(chǎn)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(nèi)提供高達(dá)+19dBm的輸出功率，在10GHz至20GHz的范圍內(nèi)提供高達(dá)+17dBm的輸出功率。通過選配的步進(jìn)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(jié)省桌面空間，許多制造商開發(fā)出了更加緊湊的信號發(fā)生器，比如來自AnaPico公司的APSIN20G。這款信號發(fā)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(nèi)具有0.1MHz的頻率分辨率(可以通過選項(xiàng)將低頻延伸至100kHz)。輸出功率在-20dBm至+7dBm范圍內(nèi)能以0.01dB分辨率調(diào)整，使用衰減器選件時輸出功率可低至-90dBm。這種微型信號發(fā)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(zhuǎn)換器，工作電壓是+6VDC，工作電流為2.5A。該信號發(fā)生器還可以用電池工作，因而非常適合便攜式測試應(yīng)用。

圖3：這臺微型信號發(fā)生器可調(diào)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(yōu)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(diào)制格式，包括AM、寬帶FM、相位調(diào)制、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)、頻率啁啾和脈沖調(diào)制。

April Instrument公司在以小尺寸提供直到26.5GHz的高信號發(fā)生性能方面也享有很高聲譽(yù)。例如該公司的8004型產(chǎn)品，可以在2GHz至26.5GHz范圍內(nèi)提供1MHz的分辨率，輸出功率在25GHz以下可達(dá)+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(fā)生器的顯示屏，他們設(shè)計的Lab Brick綜合測試源提供一個USB端口和基于計算機(jī)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(fā)售。Lab Brick屬于緊湊型信號發(fā)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(diào)制，可執(zhí)行相位連續(xù)頻率掃描。

最后，為實(shí)現(xiàn)更小的信號發(fā)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(fā)生器采用了PXI模塊化格式，因此可以在機(jī)架式機(jī)箱中搭建出一套緊湊型測試系統(tǒng)，尺寸相當(dāng)于傳統(tǒng)的信號發(fā)生器。NI PXI-545x發(fā)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(diào)制格式。