1、射频电路测试原理,微波测试信号的产生,参考文献,Agilent资料 The Science of Timekeeping, HP Application Note 1289 袁越智等，高频、微波信号源及其稳定，中国计量出版社，1992 Ulrich L. Rohde, David P. Newkirk, RF/Microwave Circuit Design for Wireless Applications, John Wiley & Sons, 2000 刘光祜，张玉兴译，无线应用射频微波电路设计，电子工业出版社，2004,目录,通过对信号发生器工作性能的讨论，尤其是相位噪声产生的机制，理
2、解信号发生器的各种性能指标的定义及其对测试的影响 概述 连续波信号发生器Continue Wave，CW 扫频信号发生器Swept 调制信号发生器modulation 信源指标对测试影响的分析例,一、概述：分类,按输出波形分类 正弦信号发生器 函数发生器 脉冲信号发生器 其他：伪随机、噪声、,正弦信号发生器 按频段分类 射频信号发生器：kHz-3GHz 微波信号发生器：3GHz-30GHz 按频率产生和综合方法分类 直接频率合成法：DS 间接频率合成法（锁相环频率合成法） 直接数字频率合成法：DDS 按输出频率调节方式分类 连续波信号发生器：Continue Wave, CW 扫频信号发生器：
3、Swept 调制信号发生器,工作性能（一）,频率特性 有效频率范围 所有其他指标都得以保证的频率范围 分辨力 频率准确度 实际输出频率和标度频率的误差： - 频率稳定度 描述信号源输出频率的随机波动和漂移特性 时域描述：阿伦方差 频域描述：相位噪声 频谱纯度 相位噪声，谐波、杂波：-50dBc,频谱纯度,工作性能（二）,输出特性 输出功率或输出电平 调节范围可达107以上 输出电平稳定度和平坦度 稳定度 输出电平随时间的变化：0.1dB/min; 0.3dB/3h 平坦度 有效频率范围内，调节频率时幅度随频率的变化 为了保证信号发生器输出信号的电平稳定度和平坦度，信号源输出往往都有自动电平控制
4、（Automatic Level Control, ALC）电路，可保证平坦度在1dB以内 输出电平准确度：3% 输出阻抗：50，驻波比1.2,工作性能（三）,调制特性 调制类型 模拟调制、数字调制 调幅、调角 调制信号频率范围 调制指数 有效范围：调幅波调制指数，调频波频偏 准确度：误差小于10% 线性度 寄生调制 残余调幅、残余调频：归入频率稳定度和幅度稳定度 调幅时的寄生调频，调频时的寄生调幅,其他特性 频率转换时间 Reverse power protection 可靠性指标 泄漏 功耗 体积、重量 环境条件 温度范围,二、连续波信号发生器,基础理论 相位噪声 频率稳定度 典型的锁相环
5、信号发生器 直接数字合成信号发生器,理想的连续波信号源输出为正弦波，其频谱为单根谱线，实际信号源的输出谱线不可能是单根谱线，事实上，谱线旁边是相位噪声 本振的相位噪声对通信系统有很大的影响；信源作为系统调试中本振的替代物，为了有效应用于各种调试背景，对其相位噪声有较高的要求,2.1 基础理论：相位噪声,相位噪声: 简单地说，相位噪声就是短期频率稳定度的频域表征方式，如果单频信号非常稳定的话，从频谱上看其边带会随着远 离主频的位置逐渐降低，一般我们比较关心偏离主频100Hz,1kHz,10kHz处的边带，若是对数坐标，此处边带的幅值与主频幅值相减，单位是 dBc，再换算成单位带宽内，单位为dBc
6、/Hz,通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。 相噪表征的是信号频率的稳定度，频域上就是噪声边带，也就是相位噪声。在时域上与之对应的叫做信号的抖动,频率稳定度,频率稳定度是信号源最为重要的技术指标 相位噪声谱密度是频率稳定度在频域内的测度 时域内的测度，一般是根据误差理论，用随机误差的标准方差（精度）来表征稳定度 由于信源噪声包含有非平稳随机过程，用标准方差表征稳定度存在着不收敛问题（对随机游走调频噪声和调频闪烁噪声两种噪声，标准方差不
7、收敛），因而一般采用Allan方差作为频率稳定度的时域测度 平稳随机过程：统计特性不随时间变化的随机过程。 均值与时间无关，自相关只和时间间隔有关 平稳随机过程具有各态遍历性： 统计平均（均值和自相关）和时间平均相等,方差,频率的随机起伏是一个随机变量，是时间t的随机函数，不可能测量其瞬时值，实际测量获得的是有限时间段内的平均值,标准方差随观测次数是变化的，对平稳过程它是收敛的，对非平稳过程，它是发散的,阿伦方差,信号源噪声中含有闪变噪声，标准方差无极限收敛存在，测量次数越多，标准方差的估计偏差越大，是一个不确定表征量 为了克服这个问题，用阿伦方差来表征信源的噪声时域特性 阿伦方差：以相对频率
8、起伏的取样方差为基础，两次取样方差的时间平均称为时域的频率稳定度测度,Allen方差和观测时间,阿伦方差对五种噪声类型全部收敛，并且可以从和观测时间的关系来判断噪声类型 除了调相白噪声和调相闪烁噪声外，噪声类型和观测时间有一一对应的关系y：相对频率起伏/时间残余X：测量的频率/时间,2.2 典型的锁相环信号发生器,参考源,XO-Oscillator CXO-Crystal Oscillator OCXO-Oven Controlled Oscillator OCVCXO-Oven Controlled Voltage Controlled Oscillator TCXO-Temperature
9、 Compensated Oscillator TCVCXO-Temperature Compensated Voltage Controlled Oscillator VCXO-Voltage Controlled Oscillator PXO-Precision Oscillator VCSO-Voltage Controlled SAW Oscillator,锁相环,1:N+1 M-1:N N+1/M,锁相环的相位噪声,输出,ALC：Automatic Level Control 保证输出幅度的稳定性 输出衰减器 获得大的输出幅度调节范围 -136dBm13dBm,微波信号发生器,Agi
10、lent83711/12B family 10 MHz -20 GHz,2.3 直接数字频率合成信号发生器,直接数字频率合成技术不是直接频率合成技术 直接频率合成技术：通过对频率的加、减、乘、除运算来实现频率合成 直接数字频率合成技术：通过对相位的运算进行频率合成 它的思路是：按一定的时钟节拍从存放有正弦函数表的ROM中读出这些离散的代表正弦幅值的二进制数，然后通过DA变换并滤波，得到一个模拟的正弦波波形，改变读数的节拍频率或者取点的个数，就可以改变正弦波的频率,原理框图,寄存器每接受一个时钟，它所存的数就增加K，此数对应的地址代表了相位，通过读取该地址（相位）对应的（正弦）幅度二进制数，并通
11、过DA转换和滤波，即可获得一个连续变化的正弦波,改变时钟频率fc和频率控制字K，可以改变输出信号频率 DDS最低输出频率为K=1时，fomin=fc/2N 最高频率，根据奈奎斯特取样定理，可达fomax=fc/2，一般要求不大于fc/4，即一个正弦波周期，至少取4个点 DDS输出频率的分辨力就是它的最小输出频率：只要N足够大，DDS的分辩力就足够的高 DDS依靠DAC的位数D（以及ROM的地址线位数A）来保证正弦波的幅度精度，靠相位累加器的位数N来保证其分辩力,DDS特点,DDS优点,工作频率范围宽 ：N32，230109量级 极高的分辨力：( =50MHz,N=48:0.18* Hz) 极短
12、的频率转换时间 开环系统，无反馈环节，取决于器件速度 可方便地进行各种数字调制 改变频率控制字K，即改变输出信号的频率和相位，因此可方便地实现数字调频和调相，附加电路后也可实现调幅功能 任意波形函数发生器,DDS缺点,工作频率受限 理论上，其时钟频率至少为输出信号频率的2倍，实际要求在4倍以上，不易实现；而且，器件速度，尤其是DAC的速度，限制了DDS的工作频率 杂散信号较多 DDS相当于对正弦波进行抽样 ROM容量有限，其地址线位数A比相位累加器位数N小很多，由此产生的相位舍入误差会引入很多杂散频率分量 DAC的非线性也是DDS杂散分量的来源,3.1 技术性能,频率特性 频率范围 一般为一个
13、倍频程至几个倍频程 频率准确度、线性度、稳定度 准确度和线性度要求优于1 稳定度 温度/C、电源电压/10%、输出功率/10dB、负载驻波比/3、时间 信号纯度 谐波（30dB）、非谐波寄生信号（40dB）,三、扫频信号发生器,网络分析仪 频谱分析仪 技术性能 频率特性 扫频功能 输出特性 GPIB程控,扫频信源广泛地应用于各种测试系统，为电路设计和系统研制提供了强有力的手段,扫频发生器一定带有GPIB接口，其扫频方式、频带选择、频率等，全部的前面板功能均可通过GPIB进行程控，从而实现自动测量系统，在计算机的控制下进行测量,3.1 扫频特性,输出特性,输出功率：准确度 稳幅性能：平坦度 输出
14、匹配：SWR,扫幅方式,Power Sweep Power Sweep Range Power Slope Range Source Match (SWR),频响特性测试,当测试器件的频响特性时，如下指标是重要的 指标 效能 频率准确度 DUT器件的中心频率 输出功率 增益/衰减 平坦度 频响特性 响应速度 测试成本 残余调频 测试高Q器件的能力,频响特性测试,幅度扫描测试1dB功率压缩点,3.2 调谐电路,2GHz以下的扫频信号发生器常采用变容管调谐振荡器（VaractorTuned Oscillator） 电容三点式振荡器最为常见 YIG调谐振荡器是固态扫频信号发生器中最常见的微波振荡器
15、YIG：Yttrium Iron Garnet: 钇铁石榴石 YIG调谐振荡器（YIG Tuned Oscillator）工作频率范围可达50GHz：210GHz、818GHz、1020GHz、2040GHz,YIG调谐振荡器,YIG小球通过耦合环与高频电路耦合 带耦合环的YIG小球等效为一个高Q值的并联谐振回路（无载Q值可达1000-8000） 高Q谐振回路和负阻有源电路构成振荡器 负阻：耿氏二极管，正反馈FET、BJT、,调制是将基带信息负荷于载波的实现方式调制类型 模拟（AM、FM、PM、Pulse） 数字（IQ，矢量信号） 特殊调制（TDMA、CDMA、etc.）,四、调制信号发生器,
16、Agilent8360B family 10 MHz -50GHz AM/FM/Pulse 110 GHz with ext. module,AgilentESG family 250 KHz -4 GHz AM/FM/Phase/Pulse Digital/I-Q Mod GSM,CDMA,DECT.,调幅,调制信号 载波信号 调制指数。,调角,载波信号 调制信号 调制指数：最大频偏,脉冲调制,Rise Time PIN Switch: 1ns Pulse Repetition Frequency Pulse Width Duty Factor On/Off Isolation Amplif
17、ier (turned on by changing the bias on the output terminal: drain, FET: 0V, VDD) 60dB,Pulse Modulation: A pulsed RF signal is periodic in that is has two distinct and recurring states; the on state provides a stable medium or high power signal, the off state has much reduced signal strength (ideally
18、 no signal is present in the off state).,PRF=50kHz(the spacing between the spectral lines) pulsed period=1/PRF=20us Lobe width=1MHz Main lobe power=-48dBmPulse width=1/lobewidth=1us Duty cycle=50kHz/1MHz=0.05 Peak pulse power=-48dBm-20log0.05=-22dBm,RBW=3MHz Span=0,RBW=10kHz Span=500kHz/DIV,RBW=30kHz Span=1MHz/DIV,数字调制,调制信号发生器构成,基带信号产生,IQ调制器,五、信源指标对测试的影响,几个例子 相位噪声的影响 杂波的影响 频率准确度的影响 幅度准确度的影响 临道功率的影响,发射机的临近波道干扰测试,接收机的杂散抑制测试,放大器的三阶交调失真测试,接收机灵敏度测试,接收机灵敏度测试,频谱再生测试,
