几种微波信号发生器选择比较

信号发生器在测试系统中有明确规定的任务:模拟被测设备(DUT)在正常工作时可能遇到的信号。这种信号过去只是正弦波、脉冲或经过模拟调制的信号。但随着通信格式不断发展而不再局限于简单的调幅(AM)和调频(FM),对信号发生器的要求正变得越来越高。随着越来越多地设备使用数字调制格式(和非传统的信号格式,如跳频和超宽带(UWB)通信),新的信号发生器必须能够模拟采用复杂数字调制方案的多频信号。不仅如此,信号发生器的外形也在发生变化,从传统的机架式或台式仪器发展到了更紧凑的模块,在曾经是一台信号发生器占用的空间内现在可以摆放多台分立信号源。

传统的机架式信号发生器仍然在执行它们份内的测试任务,有时作为独立的仪器,有时作为自动化系统的一部分,而大多数主要的测试设备制造商都能提供种类繁多的微波信号发生器,并且通常按频率范围来分类。选择一款信号发生器要求匹配仪器的性能水平和实际应用需求,而频率范围、输出功率、频率和电平切换速度以及频谱纯度等参数通常是人们做出合理选择的关键。

当然,没有一台信号发生器能够满足所有测试应用的需求,试图提供足够的带宽、输出功率、调谐速度和频谱纯度只会导致高昂的、可能超过大多数(如果不是全部)预算的价格。因此,大多数商用的信号发生器在销售时会划分为宽带、通用仪器(如10MHz至18GHz)或“特定频带”仪器(覆盖用户感兴趣的特定频率,如用于卫星通信和电信应用的3.7GHz至4.2GHz和5.9GHz至6.4GHz)。本文将重点讨论比较传统的宽带测试信号源。后续文章将介绍其它一些信号发生器类型,包括任意波发生器(AWG)和矢量信号发生器(VSG)。

在第一类具有宽调谐范围的信号发生器内,Giga-tronics公司的2550B型产品(图1)仅凭一台仪器和一个(2.4mm)连接器就覆盖了2GHz至50GHz的频率范围,并且通过一个选项还可以把频率范围扩展至10kHz。2500B系列中还有其它一些信号发生器,分别覆盖10kHz至2.5GHz、2GHz至8GHz、2GHz至20GHz、2GHz至26.5GHz和2GHz至40GHz的频率范围,所有这些信号发生器都具有0.001Hz的频率调谐分辨率。这些信号发生器可以提供许多对卫星测试应用来说极有价值的特性,包括大输出功率、较快的切换速度和低相位噪声。标配下的输出功率在20GHz以下超过+20dBm,稳定到500MHz以下的新频率所需的时间不到550μs,幅度稳定时间不到500μs。10GHz载波,1kHz偏移时的相位噪声是-102dBc/Hz;10GHz载波,10kHz偏移时的相位噪声是-108dBc/Hz,在50GHz范围内谐波通常小于-30dBc,杂散通常小于-50dBc。

图1:2550B型信号发生器具有宽调谐范围,标准频率范围是2GHz至50GHz,并可扩展至10kHz。

在了解了有关频谱纯度的这些指标后,还需要注意,性能水平是频率的函数,特别是在比较不同制造商的信号发生器时。以2550B型为例,从100MHz直到39.6GHz范围内的谐波通常是-50dBc,在更高和更低频带谐波性能则较低。同样,在直到10.1GHz的频率范围内,杂散性能可达-66dBc,在10.1GHz至39.6GHz范围内杂散性能可达-54dBc。这些性能水平不仅是基频振荡器、基准振荡器、产生信号发生器微波频率所用的频率合成方法的函数,而且是产生最高频带所用的乘法方案的函数。

其它宽带台式信号发生器包括安捷伦科技公司(Agilent Technologies)的MXG和PSG仪器、Anritsu公司的MG37000A系列信号发生器和罗德与施瓦茨公司(R&S)的R&S SMF100A微波信号发生器。所有这些信号发生器都包含达到毫米波频率的版本,并具有很好的输出功率和优秀的频谱纯度。例如,MXG系列信号发生器的频率范围为100kHz至20GHz、31.8GHz或40GHz,并且都具有0.01Hz频率分辨率。20GHz以下的标准输出功率为+11dBm,20GHz至40GHz的标准输出功率为+7dBm,另有选项可将20GHz以下的输出功率提升至+18dBm,将20GHz至40GHz范围的输出功率提升至+12dBm。

当工作在一系列编程频率(列表模式)时,作为衡量切换到特定分辨率内的新频率所需时间的指标——频率稳定时间或切换速度在5ms或5ms以下(在比较这些数字时,认识到不同制造商可能使用不同的稳定时间定义很重要)。作为一个可选功能,切换速度可以被加速到典型的600μs。与许多典型的信号发生器一样,标准配置时的输出电平可以降低至约-20dBm,利用选配的内部步进衰减器还可以降低到-90dBm。相位噪声典型值是-98dBc/Hz(6GHz或12GHz载波,20kHz偏移)。20GHz以下的谐波典型值为-60dBc,20GHz至40GHz的谐波典型值为-56dBc。而24GHz以下的杂散典型值为-50dBc,24GHz到40GHz时的杂散典型值是-45dBc。MXG信号发生器拥有大量调制选项,包括调幅(AM)、调频(FM)、相位调制和脉冲调制。

E8257D是安捷伦PSG信号发生器系列产品中的一种,这一系列产品的频率范围覆盖从250kHz至20GHz、31.8GHz、40GHz和67GHz,并且所有产品在连续波(CW)工作模式下具有0.001Hz频率分辨率,在扫描或列表模式下具有0.01Hz分辨率。标准频率稳定时间小于9ms,20GHz以下的信号输出电平达+20dBm。在标准型号产品中这些输出功率可以降低至-20dBm,在带可选步进衰减器的产品中输出功率可以降低到-110或-135dBm。相位噪声典型值为-107dBc/Hz(20GHz载波,1kHz偏移),而20GHz以下的谐波为-55dBc,40GHz以下的杂散典型值为-58dBc。

罗德与施瓦茨公司的R&S SMF100A微波信号发生器具有一个非常容易使用的前面板显示屏,上面有菜单选择和测试系统设置(图2)。标准型号产品的频率范围从1GHz至22GHz,可以通过一个选项扩展至100kHz,还可以通过另一个选项扩展至43.5GHz。频率分辨率是0.001Hz,典型的稳定时间是2ms。20GHz以下的输出功率约为+12dBm,标准产品中可以降低至-20dBm,带内部步进衰减器配件的产品可降低至-130dBm。10GHz载波,20kHz偏移时的相位噪声典型值为-115dBc/Hz;20GHz载波,20kHz偏移时的典型值为-109dBc/Hz。22GHz以下的谐波典型值为-55dBc,21GHz以下的杂散典型值为-56dBc。

图2:R&S SMF100A微波信号发生器可调谐至22GHz,具有一个非常简单的前面板显示屏。

Anritsu公司的MG37020A是另一款宽带台式信号发生器,是专为自动测试设备(ATE)系统等要求更快切换速度的应用设计的产品。该产品覆盖10MHz至20GHz的频率范围,切换速度为100μs,可在10GHz以下的范围内提供高达+19dBm的输出功率,在10GHz至20GHz的范围内提供高达+17dBm的输出功率。通过选配的步进衰减器可以将输出功率降低至-110dBm。10GHz载波,1kHz和10kHz偏移时的相位噪声典型值是-92dBc/Hz;20GHz载波,1kHz和10kHz偏移时的相位噪声是-86dBc/Hz。20GHz以下的谐波典型值是-50dBc,20GHz以下的杂散典型值是-40dBc。

为节省桌面空间,许多制造商开发出了更加紧凑的信号发生器,比如来自AnaPico公司的APSIN20G。这款信号发生器的尺寸为4.21x6.77x8.66英寸(106x172x220mm),重量仅有6磅(2.5kg),但功能十分齐全(图3),在10MHz至20GHz范围内具有0.1MHz的频率分辨率(可以通过选项将低频延伸至100kHz)。输出功率在-20dBm至+7dBm范围内能以0.01dB分辨率调整,使用衰减器选件时输出功率可低至-90dBm。这种微型信号发生器提供了一个通用串行总线(USB)端口,通过这个端口可连接至个人电脑。同时提供了一个AC-DC转换器,工作电压是+6VDC,工作电流为2.5A。该信号发生器还可以用电池工作,因而非常适合便携式测试应用。

图3:这台微型信号发生器可调谐到20GHz,可以用电池组工作。

APSIN20G在10GHz载波,1kHz偏移时的相位噪声是-100dBc/Hz,在10GHz载波,20kHz偏移时的相位噪声是-108dBc/Hz。20GHz以下的谐波性能优于-50dBc,20GHz以下的杂散典型值是-40dBc。在列表或扫描模式下的频率切换速度典型值是100μs。APSIN20G还拥有种类广泛的调制格式,包括AM、宽带FM、相位调制、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)、频率啁啾和脉冲调制。

April Instrument公司在以小尺寸提供直到26.5GHz的高信号发生性能方面也享有很高声誉。例如该公司的8004型产品,可以在2GHz至26.5GHz范围内提供1MHz的分辨率,输出功率在25GHz以下可达+8dBm。所有载波偏移20kHz时的相位噪声为-80dBc/Hz,杂散典型值为-60dBc。

Vaunix Technology公司省去了信号发生器的显示屏,他们设计的Lab Brick综合测试源提供一个USB端口和基于计算机的图形化用户界面(GUI)。这个GUI软件随每个Lab Brick配的记忆棒发售。Lab Brick属于紧凑型信号发生器,尺寸为4.90x3.14x1.59英寸,重量不到1磅,有多种型号可供选择,频率覆盖范围分为4GHz至8GHz(型号LMS-802)、5GHz至10GHz(型号LMS-103)和8GHz至12GHz(型号LMS-123)。所有型号具有100Hz频率分辨率、100μs的频率切换速度和+10dBm的输出功率。Lab Brick提供脉冲调制,可执行相位连续频率扫描。

最后,为实现更小的信号发生器,并提供多种用途,美国国家仪器公司(NI)的NI PXI-565x系列信号发生器采用了PXI模块化格式,因此可以在机架式机箱中搭建出一套紧凑型测试系统,尺寸相当于传统的信号发生器。NI PXI-545x发生器覆盖500kHz至6.6GHz的频率范围,切换速度小于2ms,并支持多种调制格式。