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第二章模拟式扫频信号源基本构成
引言
目前常用的微波信号源主要分为三种类型:模拟式微波扫频信号源、微波合成信号源及微波合成扫频信号源。这是从实现方式和输出信号的频率特征方面归类的。微波扫频信号源既可输出快速连续的扫频信号,又可输出点频信号。其输出信号的指标较差,但价格便宜,可应用于一般的通用测试。微波合成信号源可输出频率精确、频谱优良的信号,一般还可进行步进和列表扫频,价格较高。微波合成扫频信号源将以上两种信号发生器有机结合,功能丰富,性能优良,但价格昂贵。
信号源的作用归根结底是为通信或测量提供频谱资源。要准确地评价信号源的性能特性,必须掌握其输出信号的表征方法。微波合成源的性能特性主要包括频率特性、输出特性和调制特性三个方面:
一、频率特性
1. 频率范围
亦称频率覆盖,即信号源能提供合格信号的频率范围,通常用其上、下限频率说明。频带较宽的微波信号源一般采用多波段拼接的方式实现。目前,微波信号源已实现从10MHz到60GHz的同轴连续覆盖;再往上则分别覆盖每个波导波段,最高有178GHz的产品出现。
2. 频率准确度和稳定度
频率准确度是信号源实际输出频率与理想输出频率的差别,分为绝对准确度和相对准确度。绝对准确度是输出频率的误差的实际大小,一般以kHz、MHz等表示;相对准确度是输出频率的误差与理想输出频率的比值。稳定度则是准确度随时间变化的量度。合成信号发生器在正常工作时,频率准确度只取决于所采用的频率基准的准确度和稳定度,稳定度还与具体设计有关。合成器通常采用晶体振荡器作为内部频率基准,影响长期稳定性的主要因素是环境温度、湿度和电源等的缓慢变化,尤其是温度影响。因此根据需要不同,可分别采用普通、温补、甚至恒温晶振,必要时可让晶振处在不断电工作状态,目前通用恒温晶振的日稳定度可以达到5×10-10,校准后准确度可以超过10-8。
非合成类信号发生器的频率准确度取决于频率预置信号的精度及振荡器的特性,%左右。
3. 频率分辨率
信号源能够精确控制的输出频率间隔。这一指标体现了窄带测量的能力。它决定于信号源的设计和控制方式。,理论上可以更精细。但在一定的频率稳定性前提下,太细的频率分辨率并没有实用意义。
4. 频率切换时间
是指信号源从一个输出频率过渡到另一个输出频率所需要的时间。高速频率切换主要应用于捷变频雷达、跳频通信等电子对抗领域。直接式合成频率切换时间可以达到微秒级以下,射频锁相合成能达到毫秒级或者更快,宽带微波锁相合成则需要数十毫秒。
5. 频谱纯度
理想的信号发生器输出的连续波信号应是纯挣的单线谱,但实际上不可避免地伴有其它多种不希望的杂波和调制输出而影响频谱纯度。首先是信号的谐波,其次是设计不周而引入的寄生调制、交调、泄漏等非谐波输出,其中倍频器的基波泄漏也称为分谐波;另外一个重要的指标是相位噪声,是随机噪声对载波信号的调相产生的连续谱边带,一般来说越靠近载频越大,因此用距载频某一偏离处单个边带中单位带宽内的噪声功率对载波功率的比表示。需要特别提出的是,非合成信号源用短稳或剩余调频指标,即一段时间内的最大载波频率变化来定义短期频率稳定度。但在合成源中消除了有源器件及振荡回路元件不稳定等因素所引起的频率随机漂移,现在倾向于采用载频两侧一定带宽内总调频能量的等效频偏定义剩余调频。事实上,短稳、剩余调频和相位噪声表征的是同一个物理现象,只是观察角度不同,因而描述的侧重点不一样。
二、输出特性
1. 输出电平
一般以功率来计量,规定了特性阻抗后,可以折合为电压。作为通用微波测量信号源,其最大输出电平应大于0dBm,一般达到+10dBm,大功率应用时要求更高。作为标准信号源,其最小输出电平应当能够连续衰减到-100dBm以下。
2. 电磁兼容性
微波信号发生器必须有严密的屏蔽措施,防止高频电磁场的泄漏,既保证最低电平读数有意义,又防止它干扰其它电子仪器的正常工作。同时,这也是抵抗外界电磁干扰,保障仪器自身正常工作的需要。为此各国都有明确的电磁兼容性标准。
3. 功率稳定度、平坦度和准确度
表征了信号发生器输出幅度的时间稳定性和在全部频率范围内的幅度一致性和可信度。具体指标取决于内部稳幅装置,或自动电平控制(ALC)系统的性能。软件智能补偿已经越来越成为提高综合性能的手段。另外,实际输出功率还与源阻抗是否匹配有关,。
三、调制特性
调制的含义是让微波信号的某个参数随外加的控制信号而改变。调制特性主要包括调制种类、调制信号特性、调制指数、调制失真、寄生调制等。调制种类有调幅、调频及调相;调制波形则可以是正弦、方波、脉冲、三角波和锯齿波甚至噪声。天线测量中会用到对数调幅;雷达测量中还