使用高频电梳以调节漂移消除环路的低噪声微波合成器

摘要

一种微波合成器包括一个漂移消除环路，该漂移消除环路具有一个窄带输入端、一个低频频率梳状输入端、一个宽带输入端以及一个用于提供可调频率输出信号的输出端。窄带合成器与窄带输入端连接，梳状发生器与低频频率梳状输入端连接。取代了常规布图中使用宽带合成器以驱动宽带输入的做法，本发明中使用一个高稳定性的低噪声高频率的振荡器。振荡器的输出与梳状发生器的输出进行混合，以产生低噪声高频频率梳。然后用低噪声高频频率梳驱动漂移消除环路的宽带输入。与常规的设计比较，用高频频率梳取代宽带合成器可以显著地降低合成器的相位噪声。

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于电子设备的自动测试装置(ATE)，尤其是涉及用于测试微波及RF电路的低噪声高频率波形的合成。

技术背景

在诸如蜂窝电话、寻呼机和无线个人数据助理(PDAs)中使用的高频装置的精度得以大大提高，这就产生了对这些装置进行更高精度测试的需求。ATE系统中一般包括一个或多个用于测试微波装置的微波合成器。在一个典型的测试情况下，测试器中的一个微波合成器直接向DUT提供信号。DUT产生一个响应，由测试器测量并测试。在另一个测试情况下，测试器从被测装置(DUT)中接收到一个微波信号(例如900MHz)。测试器将这个信号与它的一个微波合成器的输出进行混合，产生一个中频信号(例如10MHz)。测试器对中频信号进行采样，探知它的特征。如果特征在预先确定的限度内，则通过测试。否则，测试失败。

一种常用的测试技术是，计算从被测装置产生的中频信号的功率谱。功率谱揭示了DUT的有用信息以及相位噪声。为了精确地测试被测装置的相位噪声，与DUT的相位噪声相比，合成器的相位噪声要小，这是重要的。如果与DUT的相比，合成器的相位噪声很大，DUT的相位噪声将湮没于合成器的相位噪声中，则无法说明DUT是否满足它的相位噪声指标。由于装置不断得以改进，产生越来越低的相位噪声，如果要测试保持精度，微波合成器必须被相应地改进。

图1表示了一个常规的微波合成器100，它的工作如下所述。窄带合成器112产生一个在相当窄的范围内变化的输出信号，例如从800MHz到1GHz之间的200MHz的范围。同样，宽带合成器122产生一个在相对宽的频率范围内变化的输出信号，例如从4.4GHz到6.2GHz之间的2GHz的范围。同样，梳状发生器116产生一系列隔离的谐波，或者“梳”，例如以200MHz的频率间隔。窄带合成器112、宽带合成器114和梳状发生器116的输出分别馈送至漂移消除环路150的窄带输入端152、宽带输入端154及梳状输入端156。

在漂移消除环路150中，功率分配器130将宽带合成器122的输出分解至第一和第二支路上。放大器132和134将各自支路上的信号电平进行放大。第一混频器138将放大器132的输出与梳状发生器116的输出进行混合，为梳状发生器116产生的每个谐波产生了一对不同的和频及差频。通过近似地调节宽带合成器122的频率，混频器138发出的和频或差频之一可被调节到与一个目的频率F_K相等。对于正常的运行，经常将漂移消除环路150的输入进行调节，以在混频器138的输出端产生一个等于F_K的谐波。

第一带通滤波器142对混频器138的输出进行滤波。第一带通滤波器142的中心频率为F_K，具有足够窄的带宽，只能通过F_K的混合频率，并滤除其它所有频率成分。第一带通滤波器142的输出被传送至第二混频器146，将第一带通滤波器142的输出与窄带合成器112的输出进行混合，从而产生另一对和频及差频。和频及差频被传送至第二带通滤波器144，它通常滤除和频，并将差频送至它的输出端。

送出的谐波被送至第三混频器140。第三混频器140将传送来的谐波与放大器134的输出进行混合，产生另一对和频及差频。低通滤波器148阻挡了和频，将差频送至合成器100的输出端。输出可能与附加级(未示出)进行耦合，用于有选择地进行倍频或调节输出信号的幅值。

合成器100的输出频率可以用两种方法进行调节。第一，宽带合成器122可以在大尺度下进行调节以改变总输出频率。第二，窄带合成器112可以在小尺度下进行调节以改变总输出频率。窄带合成器112通常通过直接数字合成(DDS)进行工作，产生几乎连续的输出频率范围。窄带合成器112的频率范围最好等于或大于梳状发生器116产生的相邻梳的间隔，从而允许窄带合成器在相邻的梳间进行完全调节。按照这种布置，宽带合成器122影响粗略的频率变化，而窄带合成器112影响精细的频率变化。这种组合允许合成器100的频率在很宽的范围内进行高精度的调节。

正如所知的，宽带合成器122将产生相当大的相位噪声。然而，通过漂移消除环路150的作用，这个相位噪声被大大降低。由于混频器138、140和146的和频及差频作用，在合成器100的输出中消除了宽带合成器122的频率。与宽带合成器122的频率一起，它的许多相位噪声也被消除了。

在更精细的装置中，在第二放大器134与第三混频器140间布置了一个延迟电路136。延迟电路136引起第三混频器140的输入端在相应的瞬时时间传送表示宽带合成器122的输出的信号。通过将在第二支路上传送的信号进行延迟，以与信号在第一支路上引起的延迟进行匹配，混频器140的两个输入端共同具有相应的相位扰动，从而大大消除了相位噪声。由于低通滤波器148只能通过混频器140产生的输入频率的差频，混频器140的两个输入中共有的噪声被消除掉。

即使附加了延迟电路136，合成器100仍然无法排除宽带合成器122中的一些相位噪声。宽带合成器的低频或“近距离”相位噪声(低于1MHz偏差)在很大程度上被消除，而高频或“远距离”相位噪声(超过1MHz偏差)一般未能消除。在严格控制窄带合成器112和梳状发生器116的装置中，微波合成器100的所有远离相位噪声主要为宽带合成器122中无法消除的远距离相位噪声。

发明概述

如前述的背景所述，本发明的一个目的是降低自动测试装置中的微波合成器所产生信号的远距离相位噪声。

为了实现上述目的以及其它目的和优点，根据本发明的微波合成器包括一个漂移消除环路，该漂移消除环路具有一个窄带输入端、一个低频频率梳状输入端、一个宽带输入端以及一个用于提供可调频率的输出信号的输出端。窄带合成器与窄带输入端连接，梳状发生器与低频频率梳状输入端连接。取代了常规布局中使用宽带合成器以驱动宽带输入的做法，本发明中使用一个低噪声高频率的振荡器。振荡器的输出与梳状发生器的输出进行混合，而产生低噪声高频的频率梳。然后用低噪声高频频率梳驱动漂移消除环路的宽带输入。与常规的设计比较，用高频频率梳取代宽带合成器可以显著地降低合成器的远距离相位噪声。

附图简要说明

本发明的其它目的、优点和新颖之处将通过下面的说明和图示的描述变得明显，其中，

图1为一种使用了漂移消除环路的常规微波合成器的简化方框图；

图2为根据本发明的微波合成器的简化方框图；

图3为与图2中合成器相连的梳状发生器的简化方框图；

图4为用于在图2中合成器的低频频率梳中进行选择的滤波器组的简化方框图；和

图5为用于在图2中合成器的高频频率梳中进行选择的滤波器组的简化方框图。

优选实施例详细说明

布局及工作

图2表示了根据本发明的微波合成器200的实施例。在许多方面，微波合成器200类似于图1表示的微波合成器100。例如，微波合成器200包括一个漂移消除环路250、一个窄带合成器212、一个梳状发生器216以及一个低通滤波  248，分别类似于图1中的结构150、112、116与148。此外，漂移消除环路250中有一个窄带输入端252、一个宽带输入端254和一个梳状输入端256，分别对应于图1中漂移消除环路150中的输入端152、154和156。

尽管有这些类似，微波合成器200与合成器100在许多方面不同。这部分体现在用于驱动宽带输入端254的电路方面。如上所述，常规的漂移消除环路使用一个由锁相环组成的宽带合成器，用来驱动漂移消除环路的宽带输入。锁相环通常包括一个VCO或YIG(钇铁石榴石)振荡器。然而，在图2表示的实施例中，漂移消除环路的宽带输入端254用梳状发生器216与振荡器222的混合输出进行驱动。

振荡器222产生一个频率为F_O的低噪声高频率谐波。混频器226将这个低噪声谐波与梳状发生器216产生的一个频率梳F_SC进行混合(通过第一滤波器组218与功率分配器220)，在F_O±F_SC产生一对和频与差频。

第二滤波器组228从这些谐波中选择一个，即，(F_O+F_SC)或者(F_O-F_SC)，输送至漂移消除环路250的宽带输入端254。与图1表示的常规设计不同，合成器200最好包括第一滤波器组218，用于选择梳状发生器216产生的一个适宜的频率梳，并用于阻挡其它所有频率梳。第一滤波器组218有助于阻止将不需要的虚假信号送入漂移消除环路250，因此降低了总的噪声。

只要第一滤波器组218选定了一个不同的低频频率梳，就向第二滤波器组228提供了一对不同的和频及差频。在优选实施例中，低噪声振荡器222产生了5.2GHz的单谐波F_O，梳状发生器216产生了在200MHz、400MHz、600MHz、800MHz与1GHz的频率梳。给定这些输入，在漂移消除环路250的宽带输入端254提供了下面所有的频率：

●  4.2GHz、4.4GHz、4.6GHz、4.8GHz与5GHz(通过频率相减)；

●  5.2GHz(通过回避混频器226进行直接连接)；和

●  5.4GHz、5.6GHz、5.8GHz、6.0GHz与6.2GHz(通过频率相加)。

通过适当选择低频频率梳(LFCs)与高频频率梳(HFCs)，微波合成器200可以假定多个不同的频率范围。通过调节窄带合成器212的频率，这些不同的范围可以被连续地混合在一起。

如果窄带合成器212产生的输出频率范围为从800MHz到1GHz，微波合成器200能够产生从DC到2GHz范围内的连续频率。出于实用目的，在10MHz建立低频限度。下面的表1总结了微波合成器200选择低频与高频频率梳的方式，用于建立不同的频率范围：

表1

    选定的LFC    选定的HFC    输出频率范围    800MHz    4.4GHz    10MHz-200MHz    600MHz    4.6GHz    200MHz-400MHz    400MHz    4.8GHz    400MHz-600MHz    200MHz    5.0GHz    600MHz-800MHz    无    (旁路绕过)    5.2GHz    (直接通过)    800MHz-1GHz    200MHz    5.4GHz    1GHz-1.2GHz    400MHz    5.6GHz    1.2GHz-1.4GHz    600MHz    5.8GHz    1.4GHz-1.6GHz    800MHz    6.0GHz    1.6GHz-1.8GHz    1GHz    6.2GHz    1.8GHz-2GHz

为了理解这些范围是如何提供的，需要注意合成器200的输出频率满足方程——

F_OUT＝HFC-5.2GHz-NBS

其中，HFC为选定的高频频率梳的频率，NBS为窄带合成器212的频率。

为了在宽带输入端254提供5.2GHz的谐波，需要激活开关224，对混频器226进行旁路，将振荡器222产生的5.2GHz输出直接传送至第二滤波器组228。滤波器组228将此输出直接传送至宽带输入端254(见图5)。当第二滤波器组228选定5.2GHz谐波，将其送入宽带输入端254，漂移消除环路250激活另一个开关258，对第一混频器238进行旁路，将5.2GHz信号直接送入第一带通滤波器242。在这些情况下，无需进行混频即可产生F_K，因为宽带输入端254的信号已经等于F_K。

在优选实施例中，振荡器222是一个绝缘谐振振荡器(DRO)，例如General Microwave Corporation of Farmingdale，NY的P2579型。它产生一个5.2GHz的固定频率，并可在很窄的范围内进行调节，从而允许它与其它系统元件进行同步。在优选实施例中，DRO 222与一个100MHz温控晶体振荡器(OCXO)214进行同步，例如Piezo Technology，Inc.，of Orlando，FL.的PTI X05051-001。然后，OCXO 214与系统参照物210进行同步。同步最好通过使用带宽极窄的锁相环实现，在它们的反馈中有分频器，从而提供闭环的频率倍增。

通过用低噪声高频率的频率梳取代宽带合成器122，微波合成器200的远距离相位噪声被显著降低。然而，需要注意，在整个合成器200保持低噪声，以及在这种低噪音设计下追求全部的利益。

图3表示图2所示的梳状发生器216的详细方框图。梳状发生器216接收OCXO 214产生的极低噪声的输出。倍频器对从OCXO发出的100MHz信号进行加倍，产生200MHz参考信号。放大器314放大200MHz的参考信号，带通滤波器316对放大的信号进行滤波。另一个放大器318对带通滤波器316的输出进行放大。带通滤波器316最好是一个窄带晶体滤波器，用于消除10KHz偏差之外的噪声。可从Piezo Technology，Inc.获得适用的窄带晶体滤波器。梳状发生器装置320连接至带通滤波器316的输出端，产生间隔为200MHz的频率梳。一种适用的梳状发生器320为Microcemi Corporation of Irvine，CA.的GG 7014039。在梳状发生器320的输出端使用高通滤波器322，令不同的频率梳的幅值相等，在梳状发生器320的输出端使用低通滤波器324，滤除高于1GHz的频率梳。

图4表示图2中所示的滤波器组218的详细方框图。滤波器组418最好包括一个放大410，对从梳状发生器接收到的频率梳进行放大。滤波器组包括5个带通滤波器420、422、424、426和428。带通滤波器420、422、424、426和428的中心频率与梳状发生器产生的不同频率梳对应。滤波器组218通过对单刀双掷(SPDT)开关412、414、416与418的配置从梳状发生器216选定希望的频率梳。来自放大器410的被放大的频率梳被传送入带通滤波器，其中心频率与期望的频率梳对应。例如，选择了600MHz的频率梳，在这种方式下，SPDT开关416与418闭合，使得放大器410的输出被连接至滤波器424的输入端。选定的带通滤波器让希望的频率梳通过，并充分地阻挡了其它所有频率梳。在带通滤波器的输出一侧，SPDT开关432、434、436和438将选定的带通滤波器连接至放大器440。放大器440放大选定的频率梳，并将选定的频率梳传送至滤波器组218的输出端。

图5表示图2中所示的滤波器组228的详细方框图。与滤波器组218相反，它是从低频频率梳(即以200MHz的增量从200MHz到1GHz)中进行选择，滤波器组228在选定的低频频率梳与振荡器222的混合结果中进行选择。这些混合结果在频率上分隔的间距比高频频率梳的间距宽的多。例如，将1GHz的低频频率梳与5.2GHz的振荡器进行混合时，最近的混合结果也要间隔2GHz。通过比较，相邻的低频频率梳分隔只有200MHz。因此，为了实现必须的滤波，无需为每个高频频率梳提供不同的带通滤波器。为此，滤波器组228包括四个带通滤波器514、516、518和520。按照下面的表2，根据期望的高频频率梳选择带通滤波器：

表2

    期望HFC    选定的带通滤波器    4.4GHz    4.2GHz-4.6GHz(514)    4.6GHz    4.2GHz-4.6GHz(514)    4.8GHz    4.8GHz-5.0GHz(516)    5.0GHz    4.8GHz-5.0GHz(516)    5.2GHz    (直接通过)    无    5.4GHz    5.4GHz-5.6GHz(518)    5.6GHz    5.4GHz-5.6GHz(518)    5.8GHz    5.8GHz-6.2GHz(520)    6.0GHz    5.8GHz-6.2GHz(520)    6.2GHz    5.8GHz-6.2GHz(520)优点

通过用低频频率梳与稳定振荡器的混合结果来驱动漂移消除环路的宽带输入端，得到的微波合成器可以提供极低的相位噪声。即使在偏离载波很高的频率，此时漂移消除环路对于降低相位噪声不再有效，合成器仍保持了低相位噪声。

微波合成器200原型的初步测量表明，总相位噪声并不像在常规的设计中那样主要取决于施加给合成器宽带输入端的信号，而是取决于窄带输入端的信号。用一个偏差为10MHz并具有-155dBc/Hz相位噪声的DDS来驱动窄带输入时，试验表明，整个合成器仅有-153dBc/Hz的相位噪声。作为比较，使用常规电压控制或YIG振荡器来驱动宽带输入的设计，产生的相位噪声近似为-140到-143dBc/Hz，至少比本设计方法的相位噪声高10dBc/Hz。

根据本发明的微波合成器还具有比常规合成器更快的建立时间。YIG振荡器的响应时间在十毫秒数量级。为了满足速度耗费，在锁相环内配置的电压控制或YIG振荡器，对此具有稳定的需求。相反，高频频率梳可以在小于十微秒内进行切换，比YIG的振荡器的建立时间快三个数量级。因此，根据本发明的微波合成器能够以很高的速度改变频率。这使得合成器可以紧跟采用频率跳跃的装置，例如那些设计为满足蓝牙规范的装置。蓝牙装置可以以最大为每625微秒变化一次的速度改变它们的工作频率。因此，在它们进行跳频时，根据本发明的微波合成器能够测试这些设备，并具有极低的相位噪声。

更一般地，减少装置的测试时间直接引起制造成本的下降。本发明的另一个优点是，通过减少切换时间，根据本发明的合成器允许消费者以更少的成本来生产这些装置。实现

微波合成器200的形式，最好是一个插入测试系统底板的仪器。测试系统包括一台主机，它与底板进行通信，并能够运行测试程序。测试程序包括用于控制微波合成器200的指令，例如，规划它的频率、规划它的幅值、进行校准以及读取后面的状态。通过适用的电缆或连接器，或者通过一个高频开关矩阵，合成器的输出端直接连接至被测装置上。

为了在这种情况下工作，微波合成器200最好包括一个数字控制电路(未示出)。数字控制电路接收来自测试程序的高等级指令，将这些指令翻译成电子信号，用于控制合成器200的激活。数字控制电路还用于监测合成器200的活动，并向测试程序进行汇报。

微波合成器200最好包括常规的输出电路(未示出)。这包括倍频器，用于在数字控制电路的控制下有选择性地提供不同的输出频率范围。它还包括用于调节合成器200产生的波形幅值的电路。可选方案

已经介绍了一个实施例，还有许多可选的实施例或变形。如上所述，振荡器222是一个固定频率的绝缘谐振振荡器(DRO)。然而，还可使用其它类型的振荡器。例如，只要在工作频率范围内能够保持低相位噪声，就可以使用变频振荡器。上述的优选实施例中包括一个温控晶体振荡器(OCXO)214，用于提供极稳定的频率参考。根据相位噪声的要求，OCXO 214可以被替换为其它类型的振荡器。

尽管滤波器组218是微波合成器200的优选部分，它并不是严格要求的，还可以被省略。然而，在拒绝由梳状发生器216产生的不希望的频率梳通过时，省略滤波器组218将给滤波器组228和带通滤波器242带来额外的负担。因此，省略滤波器组将需要系统的其它地方使用更贵的元件，或者引起更大的虚假信号。

如上所述，用相同的梳状发生器产生低频频率梳与高频频率梳。可选的方案是，可以用不同的梳状发生器产生不同的频率梳组。例如，可将第二梳状发生器的输出信号与振荡器的输出进行混合，以产生高频频率梳。

尽管参照指定的频率和范围描述上述的优选实施例，微波合成器200的设计中绝不排除使用其它的频率或频率范围。例如，频率梳无需用200MHz进行分隔。振荡器222也不必一定在5.2GHz工作。

上述的合成器200的实施例采用的形式为，作为仪器插入测试器。然而，合成器200并不仅限于这种实施。它可以被提供为台式仪器，例如单独支座的或者可通过IEEE-488总线进行编程。它还可以为适用于安装在例如VXI或PXI底板等标准底板上的模块仪器。

全部这些以及其它的可选方案或变形都已经由发明者考虑过，并将落入本发明的范围内。因此，应当理解的是，前面的介绍都是作为示例，本发明应该仅由所附的权利要求的精神和范围限定。