具有仪器级性能的小尺寸合成器

Small Size Synthesizer with Instrument-Grade Performance

National Instruments

美国加利福尼亚州Santa Clara

低成本集成锁相环(PLL)芯片的出现催生了许多微型和低成本频率合成器产品。然而，集成式和嵌入式测试系统在使用这些新产品时一直面临着挑战。小型便携式应用面临的状况——特别是军事和航空航天市场的状况——不仅仅是航线位置、高温和振动等环境因素。由于开关负载阻抗不确定性、传输线路长度不同以及嵌入式系统测试和测量精度降低产生的其它影响，RF设备也面临着更多挑战。微型频率合成器通常没有采用减轻不确定输出阻抗影响的闭环自动电平控制(ALC)。而小型合成器虽然可能涵盖部分RF频率，但同时也存在拓宽低频覆盖范围或校准幅度调制(AM)等需求，这是其在许多情况下无法满足嵌入式测试的要求。因此，工程师被迫使用台式合成器或自行进行设计，这不仅增加了尺寸、功耗、成本和开发时间，而且降低了测试系统的可移植性和灵活性。

为了满足这些需求，NI正在推出业界最小、切换速度最快的全功能频率发生器QuickSyn X。QuickSyn X提供闭环ALC、更宽的低频覆盖范围、校准AM和低功耗以及紧凑的尺寸和低成本，而且不会影响任何关键性能指标，如相位噪声和频率切换速度。

更宽的频率范围

QuickSyn X涵盖从250kHz到20GHz的频率范围，并且不会影响任何关键性能指标，包括谐波性能。图1显示了频率覆盖和输出功率的关系。合成器在其频率范围内提供超过20dB的输出功率控制。

图1：从250kHz到20GHz的QuickSyn X频率范围内的输出功率。

闭环功率控制

闭环ALC是最重要的功能之一，而QuickSyn X可允许开环和闭环ALC。当需要快速切换时，可以将该设备置于开环模式；当需要更高功率控制精度或当输出功率对负载阻抗的变化不敏感时，可以使用闭环ALC。图2显示了QuickSyn X中ALC实现的简要程序框图。正向功率需要使用精密检测器在高方向性定向耦合器的耦合端进行测量。将该测量结果与用户编程的功率进行比较，并将错误信号输入到可变衰减器，可变衰减器会调节输出功率来补偿差值。由于定向耦合器具有高方向性，输出端的功率对负载阻抗的变化并不敏感。

图2：QuickSyn X上ALC实现的简要框图。

闭环ALC幅度控制大于10dB，这是许多小型合成器无法实现的。此外，通过使用外部衰减器模块以10dB的步长进行衰减调整，QuickSyn X的闭环ALC动态范围可扩展到-100至+10dBm。

进行载波调制时，合成器提供了闭环ALC的功率精度，这主要归功于power search功能的常规标准仪器协议。使用power search和AM载波调制，脉冲调制或调频(FM)便具有与闭环ALC相同的功率精度，而且闭环ALC不会与调制发生冲突。

仪器级AM

仪器级或校准AM对于许多应用场景可能至关重要。QuickSyn X在其整个频率范围和大功率控制范围内提供校准AM。图3显示了功率电平为0dBm且进行了10％ AM调制的18GHz载波。观察到载波到边带的电平为-26.14dB，这反映了AM指数为9.86%，与编程值的误差为1.4%。

图3：具有10% AM调制的18GHz载波频谱。

仪器级脉冲调制是QuickSyn X的扩展功能之一，频率范围内的典型开关比为80dB。合成器提供FM和相位调制等多种模式，每种调制可以单独使用或与其它任何调制模式组合使用。例如，脉冲调制可以与FM组合。

频谱纯度，快速频率切换

QuickSyn X提供快速频率切换和低相位噪声（图4）。10kHz偏移下的典型相位噪声优于-116dBc/Hz。QuickSyn相位调整技术基于高达20GHz的基本VCO，可以实现YIG技术通常具有的相位噪声性能，而且不会出现慢调YIG的代价。在许多情况下，QuickSyn合成器具有比基于YIG的合成器更出色的相位噪声。

图4：20GHz输出信号的相位噪声。

使用先进的直接数字合成减杂波技术，即可实现0.001Hz的频率分辨率，而不会增加杂波。宽回路带宽使得该装置对麦克风效应不敏感。图5显示了QuickSyn X的无杂散动态范围，其中使用合成器生成18GHz的连续波信号，使用10至20GHz的频谱分析仪测量输出。杂散干扰性能优于-65dBc。由于低于此电平的杂散电平难以测量，因此QuickSyn X的杂散电平在制造测试期间在-60dBc下进行了验证。

图5：QuickSyn X的无杂散动态范围。

良好的谐波性能可以通过谐波滤波实现。在+10dBm的输出功率下，QuickSyn X低于100MHz的谐波电平大约为-30dBc；高于100MHz时，谐波性能通常优于-40dBc。

合成器提供列表模式运行，其中功率和频率可以在连续测量之间以任意顺序递增，从而实现极快的200μs切换时间。列表模式也可用于外部触发控制。

QuickSyn X合成器使用高度稳定的内部恒温晶体振荡器(OCXO)，出厂时已根据GPS标准进行校准，以确保合成信号的精度。内部振荡器频率可以根据老化和温度变化进行调整。该设备提供10MHz参考输出，内部OCXO可以锁定到外部参考信号。

通信

QuickSyn X支持多种通信模式，包括SPI、USB、以太网、GPIB和RS232。与其它QuickSyn合成器一样，QuickSyn X也可以通过基于USB的虚拟仪器图形化用户界面进行控制。由于许多包含老化频率合成器的旧系统受到SCPI编程平台支持，QuickSyn X系列能够使用常用的可编程仪器(SCPI)标准命令进行控制。这种兼容性降低了将最新合成器技术与SCPI软件平台相集成的时间和成本。

结论

QuickSyn X为系统工程师提供了极高的通用性和灵活性，通过小型、轻便且省电的封装提供强大的功能，包括闭环ALC以及出色的相位噪声和快速频率切换。QuickSyn X仅在2in×7in×5in的尺寸下进行测试，QuickSyn X是一种高性能的合成器，也可用于军事和商业应用的测试和测量系统。

National Instruments

Santa Clara, Calif.

www.ni-microwavecomponents.com