RF信号发生器的使用与介绍 (2)课件

《射频微波测量技术》前置放大功放滤波基带信号基带信号发射本振低噪声放大双工器接收本振滤波思考：语音信号如何传送到很远的地方？收音机选台本质上是调节什么？定义：一般将输出频率范围在300MHz～

30GHz、工作波长为1m～10mm的信号发生器称为微波信号发生器。输出频率范围在30GHz～

300GHz、工作波长为10mm～1mm的信号发生器称为毫米波信号发生器。30MHz300MHz3GHz30GHz300GHz米波分米波厘米波毫米波一、微波信号源的性能特性二、微波信号源的种类三、微波扫源四、微波合成源五、微波合成扫源六、微波信号源新技术本章主要内容dBm,dBw,dBμvdBm:10lg(P/1mw)dBw:10lg(P)dBμv:20lg(U/1μv) dBuV=90+dBm+10*log(R) dBuV=107+dBm(50欧姆) dBuV=108.75+dBm(75欧姆)对数表示更直观

1W =30dBm 100mW =20dBm 10mW =10dBm 1mW =0dBm 0.1mW =-10dBm 0.01mW =-20dBm 0.001mW =-30dBm 0.0001mW =-40dBmRF仪器中，功率常用线性和对数两种方式显示。线性显示时，单位为V、mV、uV等；对数显示时，单位为dBm、dBuV等。一、微波信号源的性能特性理想的微波信号是CW信号定常波（CostantWave)：正弦波的各个系数都是常数连续波（ContinueWave)：无始无终的正弦波

u（t）=A0cos（ω0t+ψ0）

微波信号信号

信号是可以以某种方式感知的客观现象信号可以按照其物理和数学特征分类信号具备可以被感知和描述的特征信号可以提供或探索信息信号发生器是信号的产生装置物理特征分类声信号光信号电信号数学特征分类正弦信号脉冲信号随机信号高低强弱明暗颜色场强波形振幅频率周期脉宽均值方差信息信息信息源发出信号信号特征测量分析获取信息信号源激励信号被测网络响应信号信号特征比对网络信息反求载波信号调制调制信号信息注入传输调制信号解调信息再生电信号对电磁场存在特征的物理表达和数学描述电磁场某一特征的表征量对时间的变化关系如电压、电流、场强、电势、磁通等等

傅立叶级数与傅立叶变换

u(t)<=>U(f)周期信号可以表示为一系列不同幅度、频率和初始相位的正弦信号的叠加非周期信号可以表示为具有不同分布密度的正弦信号的叠加utf由于工程和技术的原因，微波信号往往是在频域表达的；根据微波的正弦表达式，信号具有幅度频率和相位特性；实际的微波信号其正弦表达式的每一个因子都是时变的；根据信号特征的变化，微波信号可以调幅、调频和调相；在线性系统中，调频和调相是可以互相转化的表达形式；在非线性系统中，调幅和调频调相可以有条件互相转化。微波信号A（ω）谐波寄生实际信号理想信号分谐波谱密度ω微波信号特征参数频率特性频率：信号特征每秒中重复次数；周期，波长，角频率频率稳定度：频率随时间的起伏变化；长期，短期频率准确度：实际频率与标称频率的差异；绝对，相对频率分辨率：最小频率变化间隔；绝对，相对跳频速度：频率突变的过渡时间谐波寄生：波形畸变造成的倍频伴随分量；分谐波非谐波：无规则寄生伴随频率分量相位噪声：随机相位起伏造成的频谱展宽；剩余调频：扫频信号发生器在无调制点频工作状态下，输出信号频率的短期不稳定度或晃动。扫频特性：频率连续变化特性；扫频速度、准确度微波信号特征参数功率特性功率：向特定阻抗负载注入能量的能力；振幅功率稳定度：功率随时间的起伏变化；长期，短期功率准确度：实际功率与标称功率的差异；功率平坦度功率分辨率：功率变化的最小间隔源驻波：信号源吸收倒灌功率的能力微波信号源功能与构成微波振荡源稳幅功率准确度功率稳定度功率平坦度功率分辨率信号源驻波扫描模拟扫步进扫列表扫锁滚扫合成扫功率扫合成准确稳定捷变高纯高分辨率调制脉冲调制调幅调频调相组合调制I/Q调制一个微波振荡器，配以必要的控制驱动电路，就构成了最基本的信号源。不同的应用，对信号源的输出有不同的特性要求。信号源的设计，就是围绕振荡器，施加不同的控制处理电路，满足不同应用需求的过程。二、微波信号源的种类信号源一般有以下三种：微波扫源微波合成源微波合成扫源三、微波扫源输出信号的频率在一定范围内，按照一定规律重复连续变化的信号源成为扫频信号源。在某一时刻，扫源的输出波形为正弦波，因此，微波扫源具有一般正弦信号源的特性。扫源也可以设置成单一连续波频率的工作状态。主振AF振荡器模型|AF|>1AF=2n常用的振荡器VCXO压控晶振DRO介质振荡器VTO（VCO）压控振荡器YTOYIG振荡器OCXO恒温晶振频率单一频谱纯净稳定度好频率微调频谱纯净稳定度较好频率单一频谱较净稳定度较好调谐范围较大频谱一般稳定度一般调谐范围很宽频谱一般稳定度一般微波扫源的优缺点优点电路相对简单成本相对较低缺点频率稳定度和准确度都很差由于剩余调频很大，谈不上相位噪声四、微波合成源微波扫源实现比较容易，频率准确度和稳定度比较差，不能用于精密测量场合。利用频率合成技术，使得频率准确度和稳定度达到要求，称该源为微波合成源。频率合成频率合成是指利用物理方法实现频率的数学运算直接合成包括分频、倍频、混频、取样数字直接合成间接合成主要是指锁相环（PLL）频率合成数字合成DDS☆相位累加器☆相位寄存器☆D/A☆低通滤波锁相合成☆相位负反馈☆鉴频鉴相器☆环路滤波器☆VCO直接合成☆混频（加、减）☆倍频（乘）☆分频（除）☆滤波频率合成

请大家思考DS、PLL、DDS这3种频率合成技术的原理和优缺点？

熟悉这3种技术的优缺点对于指导我们的设计有非常重要的作用，下面我们一起来复习。直接式频率合成——DS直接式频率合成使用的元件多，结构复杂，体积大，造价高，杂波抑制太差，这是它的一个致命缺点，足以抵消它的所有优点。如何抑制杂波以及组合频率也是直接频率合成器首要关注的问题。因此，几乎在所有的应用场合，均被锁相技术的间接频率合成方法所代替。

间接式频率合成间接式频率合成是第二代频率合成技术，以高指标的晶体振荡器作为参考频率，利用锁相环技术进行锁相并达到倍频的目的，产生所需要的频点。间接式频率合成又称锁相环频率合成技术。合成器具有良好的窄带跟踪特性，可以很好的选择所需要频率的信号，频率覆盖范围较大，杂散抑制也很好，并且避免了使用大量的滤波器，十分有利于集成化和小型化。参考文献：

AnalogDevices,Fractional-NFrequencySynthesizer,ADF4154,DeviceDatasheet,2004:6~7基本锁相环FoFr频率参考鉴频／鉴相器环路滤波器调谐振荡器反馈网络(Ｔ)FvfOUTPDLPFVCOfREF

fOUT=N×fREF÷N微波锁相环

fOUT=N×fLO+fREFPDLPFVCO×NfREFfOUTfLOfIFoFr频率参考鉴频／鉴相器环路滤波器调谐振荡器反馈网络(Ｔ)Fv输出信号的相位噪声相噪频偏振荡器自由噪声频率参考等效噪声锁相输出实际噪声低通滤波增益带宽FoFr频率参考鉴频／鉴相器环路滤波器调谐振荡器反馈网络(Ｔ)Fv锁相频率合成技术最大的缺点是频率步进和跳频时间相互制约。为使PLL的转换时间比较快，由经验公式或者仿真容易知道，这需要提高PLL的参考信号频率，但这样会使频率步进太大，也就是频率分辨率降低。整数分频频率合成器，跳频时间和频率分辨率是不可调和的矛盾，所以整数锁相环往往难以满足实际需要；如果减小步进而降低参考信号频率，又会增加频率转换时间和相位噪声。小数分频器在一定程度上缓和了这个矛盾，在较大的鉴相频率下，小数分频频率合成器可以实现小数分频，使得频率合成器的分辨率可以很小，而鉴相频率不变，也就是说保持了较短的跳频时间。小数分频器的杂散抑制比较差，目前主流芯片只能做到-70dBc。直接数字频率合成——DDS数字直接式频率合成是第三代频率合成技术。它利用数字计算机和数模变换器来产生信号。完成直接式频率合成的办法，或者是利用计算机求解一个数字递推关系式，或者是查询表格上所存储的正弦波值。目前用得较多的是查表法。这种合成器体积小、功耗低，并且可以几乎是实时的以连续相位转换频率，给出非常高的频率分辨率。参考文献：AnalogDevices,Inc.,2.7GHzDDS-BasedAgiledRFSynthesizerAD9956,DeviceDatasheet,2004:1~15DDS累加器寄存器cosθD/ALPF循环展开低通滤波直接数字频率合成——DDS直接式数字频率合成器有一个很大的缺点，其输出的信号频率较低，目前形成产品的DDS芯片的最高时钟频率到1.6GHz，而且实际输出频率更低，约600MHz。直接式数字频率合成器还有一个弱点，其输出杂散抑制差。目前，据资料，AD公司的DDS产品在窄带输出的情况下，杂散抑制能够做到80dBc。参考文献：AnalogDevices,Inc.,2.7GHzDDS-BasedAgiledRFSynthesizerAD9956,DeviceDatasheet,2004:1~15微波频率合成器的原理框图时基参考信号发生器中频环本振环鉴相器取样器带通/隔离微波主振环路滤波器中频frf1fVfO本振环时基参考信号发生器中频环本振环鉴相器取样器带通/隔离微波主振环路滤波器中频frf1fVfO中频环时基参考信号发生器中频环本振环鉴相器取样器带通/隔离微波主振环路滤波器中频frf1fVfO把微波频率分辨率转化为射频载波下的同等分辨率，降低了相对分辨率要求，那么问题解决了吗？小数分频技术DDS技术仪器软件各种误差补偿电平准确度补偿电平平坦度补偿YTO线性补偿扫频准确度补偿仪器的自检测、自诊断复杂的步进扫频、列表扫频功能……微波合成源实例分析Φ缓冲分频参考环ΦLFN.FΦYO驱动ΦLF8~10YIG梳状波发生器⊕CPU控制5M10MCPU控制÷10÷101M10M÷2÷4500M~1GVCO795~1005M5MSTEP50~100M小数环YO环步进环800M~1G440MHzOCXOEXTRET10MDAC五、微波合成扫源 微波模拟扫源的缺点： 频率精度和频率稳定性都非常差，即便是通过各种补偿措施也不能达到精密测量的要求 为了克服模拟扫源的缺点，结合微波合成源的的优点，人们研制出了具有模拟扫频功能的合成源，这是我们接下来要讨论的微波合成扫源合成扫源示意框图环路滤波器鉴相器取样保持求和调谐振荡器计数器扫描发生器取样器中频参考ｆｒｆｖｆｏ频率预制合成扫频信号发生器基本构成扫频方式一“锁滚”式合成扫频

先锁定起始频率，使用取样保持电路保持住起始点压，然后断开环路，将扫描电压叠加到起始点压上，实现“锁滚”式合成扫频。tVtVtV+=前提是主振的扫频特性是线性的，扫描速度和扫宽准确tfYTOI/V转换tf缺点： 扫描过程中没有修正，由于扫速扫宽不准确导致终止频率不准确tVt0t0f0f1f2需要的斜率实际的斜率需要的频率实际输出频率扫频方式二带扫频准确度校准的“锁