本文概要

本文簡要介紹了目前用于測試測量的微波信號(hào)源技術(shù)。它從市場的總體趨勢開始，接著是對(duì)各種信號(hào)源技術(shù)的調(diào)查，對(duì)這些技術(shù)在性能、電路復(fù)雜性和成本影響方面進(jìn)行了比較。包括直接模擬，直接數(shù)字和間接發(fā)生器結(jié)構(gòu)，以及它們的主要特點(diǎn)和性能權(quán)衡。討論了最新的技術(shù)趨勢、設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和各種解決方案。

1、市場趨勢

信號(hào)發(fā)生器（又名頻率合成器）是幾乎所有射頻/微波測試測量系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。它產(chǎn)生一個(gè)刺激信號(hào)或被用作接收器側(cè)的本振子。信號(hào)發(fā)生器廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和系統(tǒng)的測試、維修和故障排除。根據(jù)市場咨詢公司Frost & Sullivan的預(yù)測，信號(hào)發(fā)生器將是未來幾年全球測試測量市場增長最快的領(lǐng)域之一。需求將受到無線通信、航空航天和國防、汽車以及5G等新技術(shù)的推動(dòng)。微波信號(hào)發(fā)生器的總市場預(yù)計(jì)約為3億美元，年增長率約為7%。信號(hào)發(fā)生器市場的高頻部分（大于26.5 GHz）的增長將是最高的。這代表著信號(hào)發(fā)生器市場的一個(gè)重大變化，因?yàn)槟壳按蟛糠咒N售收入是由低于6 GHz頻率段產(chǎn)生的。

總的來說，業(yè)界一直面臨著設(shè)計(jì)出更高性能的信號(hào)發(fā)生器的壓力。理想的發(fā)生器應(yīng)該是具有良好頻率分辨率的寬帶，允許處理更廣泛的潛在應(yīng)用。除了頻率覆蓋范圍和分辨率外，相位噪聲和雜散性能也是限制系統(tǒng)分辨小振幅信號(hào)能力的關(guān)鍵參數(shù)。影響整個(gè)系統(tǒng)性能的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是頻率切換速度。在頻率之間轉(zhuǎn)換的時(shí)間越來越寶貴。例如，在100μs內(nèi)切換頻率的發(fā)生器比在1ms內(nèi)切換頻率的發(fā)生器具有更高的測量容量。與使用較慢的發(fā)生器進(jìn)行單次測量相比，更快的切換發(fā)生器可提供十倍的吞吐量和更高的產(chǎn)品產(chǎn)量。然而，今天的系統(tǒng)要求快速的開關(guān)速度和低相位噪聲的性能，歷史上與較慢的頻率開關(guān)發(fā)生器有關(guān)。

此外，從傳統(tǒng)的模擬信號(hào)調(diào)制到如今的復(fù)雜矢量調(diào)制，都需要復(fù)雜的波形。由于如新一代無線蜂窩技術(shù)5G等新技術(shù)出現(xiàn)，預(yù)計(jì)市場需求將向更高的工作頻率和更寬的調(diào)制帶寬轉(zhuǎn)變。

2、體系架構(gòu)

微波信號(hào)發(fā)生器是最具挑戰(zhàn)性的高頻設(shè)計(jì)之一。發(fā)生器的特性很大程度上取決于一個(gè)特定的體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)可以分為幾個(gè)主要的組別，如圖1所示。直接結(jié)構(gòu)旨在直接從可用基頻創(chuàng)建輸出信號(hào)，通過在頻域中操縱和組合這些基頻（直接模擬合成）或通過在時(shí)域中構(gòu)造輸出波形（直接數(shù)字合成）。間接方法假設(shè)輸出信號(hào)在發(fā)生器內(nèi)以輸出頻率與輸入?yún)⒖夹盘?hào)相關(guān)（例如，鎖相）的方式再生。類似地，間接合成可以用模擬和數(shù)字技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。然而，一個(gè)實(shí)用的發(fā)生器通常是一種混合設(shè)計(jì)，它結(jié)合了各種技術(shù)，以充分利用每種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

直接模擬發(fā)生器是通過混合一些固定頻率的基頻信號(hào)，然后用開關(guān)濾波器實(shí)現(xiàn)的，如圖2所示。直接模擬發(fā)生器的主要優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度極快，從微秒到納秒不等。另一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是能夠產(chǎn)生低相位噪聲，這是由于使用了與基頻源相比可以忽略的低殘留噪聲的組件。因此，直接模擬發(fā)生器的相位噪聲主要取決于可用固定頻率源的噪聲，并且可能非常低。該拓?fù)涞闹饕秉c(diǎn)是頻率覆蓋范圍有限，步長小，成本高?？梢酝ㄟ^使用更多的基頻和/或混頻器級(jí)來增加輸出頻率的數(shù)量。然而，這會(huì)迅速增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性和整體組件數(shù)量。另一個(gè)嚴(yán)重的問題是混頻器級(jí)產(chǎn)生大量不希望的雜散產(chǎn)物。這些雜散必須被徹底過濾，這對(duì)于特定發(fā)生器頻率計(jì)劃開發(fā)來說是一個(gè)嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

圖2 直接模擬發(fā)生器概念

另一種有希望的方法是基于發(fā)生器工作頻率帶寬的連續(xù)擴(kuò)展的概念。如圖3所示，這種發(fā)生器結(jié)構(gòu)包括幾個(gè)級(jí)聯(lián)，包括可編程分頻器、混頻器和帶通濾波器（或開關(guān)濾波器組）。利用可編程分頻器產(chǎn)生的幾個(gè)本振頻率。輸入頻率帶寬和分頻系數(shù)的選擇方式為?