最新的模塊化頻率合成器技術(shù)

頻率合成器廣泛應(yīng)用在射頻/微波領(lǐng)域，以及工業(yè)、汽車和醫(yī)療系統(tǒng)中從集成電路到機(jī)架子系統(tǒng)的每個設(shè)計層次中。由于射頻/微波頻率合成器涉及的領(lǐng)域非常廣，本文重點(diǎn)討論模塊化、系統(tǒng)級頻率合成器的最新技術(shù)與產(chǎn)品。

頻率合成器可簡單地按照模擬或數(shù)字電路類型來分類，也可以按照直接或間接頻率合成器的類型進(jìn)行分類。通過將調(diào)諧振蕩器如壓控振蕩器(VCO)，與晶體振蕩器等更穩(wěn)定的頻率源進(jìn)行比較，模擬間接合成器可穩(wěn)定調(diào)諧振蕩器的相位。模擬直接合成器通過混頻、倍頻和分頻產(chǎn)生所有可能的輸出信號，然后對特定的理想輸出信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換和濾波。

與需要進(jìn)行可變振蕩器調(diào)諧的間接模擬合成器相比，直接模擬合成器的輸出總是“打開”的，并且通過設(shè)定PIN二極管的速度就可以選中特定的信號。直接數(shù)字合成器(DDS)主要采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，將模擬信號的數(shù)字表示轉(zhuǎn)換為理想的數(shù)字輸出。在快速的開關(guān)頻率下頻率和幅度之間的間隔有可能非常小，具體大小與DDS中DAC的位分辨率以及相位與頻率累加器的位分辨率有關(guān)。盡管采用DDS的頻率源改善了雜散性能，但基于通過采用鎖相環(huán)(PLL)直接產(chǎn)生和控制信號的模擬合成器仍可能是射頻/微波頻率合成器的最廣泛形式。

頻率合成器的關(guān)鍵參數(shù)根據(jù)一些依賴于應(yīng)用的性能指標(biāo)來定義。對于某些合成器，相位噪聲和雜散性能可能最重要，但對于其它合成器，調(diào)諧分辨率和轉(zhuǎn)換速度可能最重要。每種合成器模型都具有多個不同的關(guān)鍵性能參數(shù)，其中價格、復(fù)雜性以及可靠性等是用來選擇合成器的其它重要因素。

例如，與商業(yè)通訊要求頻率合成器覆蓋指定頻率不同的是，軍事應(yīng)用要求頻率合成器具有很寬的頻率帶寬。Wide Band Systems的頻率合成器名義上是用于開發(fā)要求高速頻率調(diào)諧和寬頻率覆蓋的電子戰(zhàn)(EW)應(yīng)用。這些模塊化合成器(圖1)的DC功耗小于18W，并在2至18GHz頻率下具有優(yōu)于3?s的轉(zhuǎn)換速度。這些頻率合成器對自動測試設(shè)備(ATE)應(yīng)用也很理想，它們采用14b偏移二進(jìn)制控制字進(jìn)行調(diào)諧。盡管在定制設(shè)計中可以獲得其它調(diào)諧分辨率，但標(biāo)準(zhǔn)模型調(diào)諧是以1MHz為步長。典型的單邊帶(SSB)相位噪聲在偏移載波10kHz處為-103dBc/Hz，在偏移載波100kHz處為-107dBc/Hz，在偏移載波1MHz處為-121dBc/Hz。

基于內(nèi)部恒溫控制式晶體振蕩(OCXO)的頻率參考，頻率精度是5PPM，然而可以通過連接到適當(dāng)?shù)耐獠繀⒖荚磥磉_(dá)到更高精度。大小為6.5×6.25×1.050英寸的頻率合成器，在溫度和頻率之上提供了具有±1.5 dB平坦度的+10 dBm輸出功率，它的最大雜散噪聲是-50dBc，最大諧波噪聲-20dBc。

Herley CTI公司是一家歷史悠久的頻率合成器供應(yīng)商，除了寬帶合成器系列外，該公司還提供針對特定應(yīng)用的BBS系列產(chǎn)品。例如，BBS-600型號工作在4,400至6,000MHz，非常適用于C波段衛(wèi)星通訊系統(tǒng)，該系列的其它合成器工作頻率范圍從9至2,200 MHz以及18至4,400 MHz(通過倍頻)。它們的相位噪聲在1GHz載波偏移100Hz處一般為-87至-91dBc/Hz。該合成器與本地振蕩器(LO)一樣，非常適用于廣泛的通訊系統(tǒng)應(yīng)用。

Advanced Control Components公司、Dbm公司等許多其它頻率合成器供應(yīng)商也為很多應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)和定制的產(chǎn)品型號。Synergy Microwave公司的3,150至5,550MHz的FSFS315555-500表面貼頻率合成器(圖3)是最小的頻率合成器之一，僅有1.25×1.00X 0.3英寸，但相位噪聲在900MHz載波偏移1kHz處為-92.5dBc/Hz，在5.8GHz載波偏移1kHz處為-83.5dBc/Hz。它以5MHz為步長進(jìn)行調(diào)諧，典型雜散噪聲為-75dBc，開關(guān)速度為50微秒或者更小。

Aeroflex公司具有FS2000和FS5000系列的高性能頻率合成器。例如，F(xiàn)S2000系列包括工作頻率為1MHz至18.4GHz，開關(guān)速度為亞微秒級的型號。FS5000系列工作頻率為0.3至26.5GHz，具有1MHz標(biāo)準(zhǔn)分辨率以及200ns開關(guān)速度。該系列在平坦度為±2dB的頻率下提供+10dBm輸出功耗。除這些機(jī)架安裝型器件外，該公司還提供覆蓋1.5至3.0GHz頻率、具有1Hz分辨率的3010 PXI型合成器模塊。該模塊具有250微秒開關(guān)速度，在載波偏移20kHz處的典型相位噪聲為-116dBc/Hz。Rodelco電子公司的設(shè)計和銷售用于航空電子和軍事應(yīng)用的定制射頻/微波合成器，覆蓋2.8到18.4GHz頻率范圍。

ITT Microwave Systems公司最近推出了一款基于DDS技術(shù)的WaveCor雙環(huán)合成器，它在同一個小封裝內(nèi)集成了兩個獨(dú)立的頻率源(圖4)。這個機(jī)架安裝型雙環(huán)合成器的工作頻率為18GHz，具有300ns開關(guān)速度，采用分立的42b BCD接口來實(shí)現(xiàn)每個獨(dú)立頻率源1Hz的頻率分辨率。它的輸出功率大于+10dBm，相位噪聲在9GHz載波偏移10kHz處小于-125dBc/Hz，雜散性能優(yōu)于-65dBc。低頻單元的分相位噪聲在1.2GHz載波偏移10kHz處為-140dBc/Hz。

Teledyne Microwave公司已經(jīng)開發(fā)出工作頻率為0.7至40GHz(最小10%帶寬)的單環(huán)合成器系列，該系列在載波偏移100kHz處的相位噪聲小于-125dBc/Hz。該公司的低噪聲9700系列工作頻率超過12.8GHz，具有1kHz分辨率和+12dBm典型輸出功率。它們的相位噪聲在3.2GHz載波偏移100kHz處為-120dBc/Hz，在12.8GHz載波偏移100kHz處為-108dBc/Hz。

Micro Lambda Wireless公司的MLSE系列寬帶合成器的頻率覆蓋2至20GHz以及1至22 GHz，輸出功率從+14到+20dBm。利用該公司已經(jīng)過驗(yàn)證的可調(diào)諧YIG振蕩器技術(shù)，MLSE型號具有31ms全頻帶調(diào)諧速度和1Hz分辨率。它的雜散性能為-60dBc，僅消耗43W功耗。

Endwave公司提供基于YIG和VCO技術(shù)的合成器。YIG型號在單環(huán)和多環(huán)配置下的工作頻率高達(dá)18GHz，調(diào)諧范圍為±1GHz，在任何載波10kHz偏移處的相位噪聲為-100dBc/Hz，在任何載波100kHz偏移處相位噪聲為-128 dBc/Hz。該公司最近開發(fā)了一款具有6.410到7.545GHz調(diào)諧范圍的用于衛(wèi)星通訊應(yīng)用的X波段合成器，該合成器可以進(jìn)行定制以滿足調(diào)諧步長為1kHz到1Hz的要求。它的相位噪聲在載波100Hz偏移處為-77dBc/Hz，在1 MHz偏移處為-125dBc/Hz。

Phase Matrix公司提供儀器型(instrument-type)和板卡型(card-format)合成器，包括VXI 合成器114XA系列。它們在10 MHz至20GHz帶寬下提供了1MHz分辨率，適合三個VXI插槽。它們的輸出功率為+10～+13dBm，此時諧波噪聲為-30dBc，雜散噪聲為-60dBc，相位噪聲在10GHz載波10kHz偏移處為-85dBc/Hz。