微波信號發生器基本工作原理及其指標概述
1.基本概念
利用和分析信號首先要產生信號，用于產生各種測試信號的儀器稱為信號發生器或信號源。信號發生器所覆蓋的范圍很寬，就頻段劃分而言，有低頻信號發生器、射頻信號發生器、微波信號發生器、毫米波信號發生器；從波形特性上分，有正弦信號發生器、函數和任意波形信號發生器、脈沖信號發生器、隨機信號發生器；從調制特性上分，有矢量信號發生器、模擬信號發生器、信號源；從頻率切換時間上分，有通用信號發生器、捷變頻信號發生器；就工作原理而言有直接振蕩式、鎖相式和直接頻率合成式等等。
微波信號發生器是指利用頻率合成方式產生微波頻段信號的專用信號發生裝置。對于微波頻段并沒有嚴格的定義，目前微波信號發生器通常是指那些覆蓋頻段超過6GHz的信號發生器。隨著頻率合成技術、微電子電子技術、微波工藝技術以及計算機智能技術的不斷創新發展與應用，微波信號發生器的性能指標越來越高，功能越來越豐富。在微波測試技術領域，從最基本的電子元器件性能測試，到大型電子裝備系統性能綜合評估，微波信號發生器的使用已滲透到研發、生產、試驗、驗收、維護保障等全壽命過程的各個環節，在航空、航天、衛星、通信、兵器等領域得到了廣泛的應用。
頻率合成技術是微波信號發生器的核心技術，它直接決定了微波信號發生器的頻譜純度（相位噪聲、雜散等），通常其性能高低在很大程度上決定了微波信號發生器的價格，對于頻率覆蓋相同的信號發生器，隨著信號頻譜純度的增加，其價格可能會成倍的增長。
頻率合成是指采用物理的方法，對頻率進行加減乘除運算，利用一個或幾個標準頻率信號產生所需信號。頻率合成按合成方式可以分為直接頻率合成和間接頻率合成。直接頻率合成是利用混頻、倍頻、分頻等方法直接實現頻率的變換，通常需要幾個標準頻率信號。間接頻率合成一般是指利用鎖相環（PhaseLockLoop，簡稱PLL）技術使輸出的頻率信號溯源到一個高頻率準確度和高穩定度的標準頻率信號上。目前微波信號發生器通常采用恒溫晶體振蕩器作為頻率基準，其頻率穩定性一般在10-9/day量級。
微波信號發生器從二十世紀八十年代進入了全面發展時期，經過30多年的發展，已形成了自有的技術和產品體系，其頻率覆蓋越來越寬，目前已實現同軸連續頻率覆蓋100kHz~70GHz，波導覆蓋幾百個吉赫茲，輸出功率越來越大，由早期的幾個毫瓦到現在的幾百毫瓦甚至瓦級，信號的頻譜純度越來越高，目前在10GHz頻段10kHz頻偏處的相位噪聲已達-120dBc/Hz，而且還具備豐富的調制功能包括幅度調制、頻率調制、相位調制、脈沖調制、矢量調制等。隨著性能指標的提升，功能的豐富，其體積越來越小，智能化程度越來越高。
2.典型工作原理
目前典型微波信號發生器的基本構成如圖1所示，共包括頻率合成、信號調理以及調制3大單元：頻率合成部分負責產生需要的頻率或波形的信號，基本決定了微波信號發生器的頻譜特性；信號調理部分實現信號幅度參數的調節，基本決定了微波信號發生器的功率特性；調制部分負責將低頻調制信號調制到射頻載波的某一參數上，如幅度、相位、頻率等。再進一步細分，微波信號發生器的基本構成如圖2所示。頻率合成一般包括參考信號發生用以提供頻率基準或者時鐘，高分辨率中頻環為整機提供精細的頻率分辨率，本振環用以實現微波振蕩器輸出信號的下變頻，微波主振及其驅動電路用以產生必要的微波頻率覆蓋，一般選用連續調諧的寬帶微波振蕩器承擔，如微波壓控振蕩器（VCO）、YIG調諧振蕩器（YTO）等。調制信號產生功能有些類似于函數發生器，產生調頻、調相、調幅的基帶信號和脈沖信號，目前微波信號發生器的調制信號還可以產生三角波、鋸齒波、雙正弦、脈沖重頻參差、脈沖重頻抖動等樣式豐富的各種信號。信號調理部分通常包括對信號的放大、倍頻、分段開關濾波（濾除信號的諧波和分諧波）、幅度調制器（實現對信號幅度大小的控制）、脈沖調制器、耦合檢波以及ALC系統，由于具有ALC系統，微波信號發生器一般具有很高的功率控制精度和穩定性，控制精度一般達到0.1dB甚至更高，功率準確度一般在1dB以內。下面詳細說明每部分的基本工作原理。
（1）頻率合成
頻率合成是微波信號發生器的核心組成部分，通過頻率合成的閉環機制實時補償修正主振驅動控制信號，實現微波主振輸出頻率和相位誤差的實時修正，使其具備時基（頻率參考）的相對準確度和長期穩定度。微波主振在驅動電路的作用下產生一定頻率范圍的信號，一般從幾個吉赫茲到十幾個吉赫茲，該信號為振蕩器在驅動電路的作用下自由振蕩產生，具有一定的頻率誤差并且不穩定。微波主振產生的信號一路進入信號調理部分，同時耦合出一路進入頻率合成部分的反饋通路，通常是取樣器或者諧波混頻器，同時本振環產生的本振信號進入取樣器，取樣器的作用就是實現本振信號的N次諧波取樣與主振反饋信號混頻得到中頻信號，中頻信號進入鑒相器作為參考信號與高分辨率中頻環過來的信號進行鑒相，得到的誤差電壓通過驅動電路實時補償修正微波主振輸出，由于每個環路的時基或者參考信號均來自參考發生，即同一個時基，因此最終通過頻率合成后得到的信號獲得了與時基同等的頻率穩定度和準確度。
頻率合成部分中，由于是利用本振環產生信號的N次諧波實現對微波主振的下變頻，本振信號的相位噪聲和雜散均會以20logN的速度增加，因此要求本振信號要有比較好的相位噪聲和雜散，它幾乎直接決定了最終頻率合成輸出的近載波相位噪聲（一般在100kHz頻偏以內），頻率合成輸出的遠載波相位噪聲基本上由主振直接決定。對于中低端微波信號發生器，為了降低成本和技術難度，通常會不用本振環和取樣器，而是直接采用分頻器把微波主振信號分頻進行鑒相，此時鑒相器的參考信號相位噪聲就會以20logN的速度疊加到輸出上（N為分頻比），由于要獲得高頻率分辨率和低相位噪聲往往存在矛盾，因此采用該頻率合成方案的微波信號發生器一般頻譜純度不高。
高分辨率中頻環一般采用直接數字頻率合成技術或者小數分頻頻率合成技術來實現，以獲得高的頻率分辨率，采用這兩種技術目前微波信號發生器已能獲得*的頻率分辨率，一般達到Hz級甚至豪赫茲級。由于直接數字頻率合成存在難以獲得很低的雜散以及在頻率合成中不方便實現靈活的調頻調相等，因此在高性能微波信號發生器中更多的采用小數分頻頻率合成技術。小數分頻頻率合成技術是通過設置環路反饋分頻比為小數來提高頻率分辨率的一種新型頻率合成技術，是對環路反饋分頻比為整數N的鎖相環環路的巨大發展。它的英文全稱是Fractional－NPhaseLockedLoop，常簡稱為FNPLL或N.FPLL。在參考頻率不變的情況下，通過設置環路反饋分頻比，FNPLL單環就可以實現任意小的頻率分辨率，解決了單環鎖相頻率合成所不能解決的高鑒相頻率與高分辨率之間的矛盾，也解決了DDS帶寬的限制。
（2）信號調理
微波信號發生器的信號調理是指從頻率合成部分輸出的信號到射頻端口輸出的整個信號通路。一般頻率合成輸出的信號頻率覆蓋幾個吉赫茲，為了獲得整機的寬頻率覆蓋，通常要在信號調理部分進行倍頻、分頻以及混頻等處理（嚴格來說這一部分從技術上也是頻率合成），通過倍頻實現向上的頻率覆蓋，目前已可以同軸方式實現到70GHz，波導方式可以到到幾百個吉赫茲，利用分頻或混頻實現向下的頻率覆蓋，微波信號發生器的低頻率覆蓋一般達到100kHz量級。微波信號發生器的信號調理更多的還承擔了對信號的放大、濾波以及對信號幅度的精確控制。通過對信號的逐級放大使輸出得到更大的功率輸出，倍頻、分頻以及混頻必然帶來基波、本振等的泄漏，對信號的逐級放大會不斷惡化信號的諧波，這些都會對最終的應用帶來不利的影響，需要對這類信號進行抑制處理，通常采用帶通濾波器、低通濾波器以及高通濾波器。由于微波信號發生器的頻率范圍一般比較寬，因此在內部會對寬帶信號進行分段處理，包括分段濾波、分段放大等。微波信號發生器為了獲得大功率動態范圍信號的輸出，通常采用ALC系統（自動電平控制系統）以及程控衰減器擴展動態范圍，目前高性能的微波信號發生器可從-130dBm到+20dBm，動態范圍達到了150dB，而且還可以實現精細的功率步進，比如0.01dB的步進。
ALC系統是微波信號發生器中除頻率合成外的另一關鍵部分，在很大程度上決定了輸出信號的功率（幅度）特性。所采用的典型ALC系統如圖3所示。功率控制信號首先加到線性調制器（衰減器）上，線性調制器會隨著控制信號的大小改變衰減值從而實現對射頻信號大小的控制。此外，在射頻通道中靠近輸出端口一側利用定向耦合器把射頻信號耦合出一部分，利用寬帶檢波器轉化為直流電壓，將得到的反映信號功率大小的檢波電壓與穩幅環提供的功率參考電壓相比較，得到的差求積分，最終用攜帶功率誤差信息的積分輸出驅動線性調制器實現對功率的閉環控制。通常情況下，為了保證功率參考電壓的溫度穩定性，在功率參考電路部分設計有溫度補償電路，實時監測功率參考電路的工作溫度并對功率參考電壓進行補償，從而保證了微波信號發生器的輸出功率穩定性，高性能的微波信號發生器功率穩定性可達到0.02dB/℃。
3.微波信號發生器的典型ALC系統
（3）調制信號的產生與調制
微波信號發生器除了可以產生寬帶、高頻譜純度、大功率動態范圍的連續波（點頻）信號外，另一重要的能力就是可以產生幅度調制、頻率調制、相位調制以及脈沖調制信號，目前還有一類微波矢量信號發生器可以產生數字調制以及更復雜的信號，滿足各種測試需求。微波信號發生器一般可以利用內部集成的函數發生器產生調制信號，也可以利用外部函數發生器通過輸入接口實現調制，內部集成的函數發生器通常也成為內部調制信號發生器。
內部調制信號發生器一般采用直接數字頻率合成技術，為了實現更加豐富的信號樣式通常不采用集成DDS芯片，而是利用FPGA和DAC的靈活波形產生方案，一般包括四個部分：第一部分是相位累加器，能夠決定輸出信號的頻率范圍以及精度；第二部分是任意波形查找表，用于存儲經過量化和離散后的波形的幅度值；第三部分是數模轉換，通過數模轉換器將數字信號轉換為相應的模擬波形；最后一部分是低通濾波，用來濾除鏡像分量。原理框圖如圖4所示。為了同時實現幅度調制和頻率/相位調制，一般內部會集成2到3個獨立的調制信號發生電路。脈沖調制信號的產生由FPGA實現集成設計。
調制信號的產生典型組成
微波信號發生器幅度調制信號一般會在ALC系統中通過功率控制部分實現最終射頻調幅信號的產生，調幅信號與ALC系統中的功率參考電平求和后一起加到線性調制器上實現對射頻信號的幅度調制。
微波信號發生器頻率/相位調制一般會在頻率合成部分完成，簡單的調頻/調相可以通過直接把調制信號加到振蕩器的調諧端實現。對于采用YTO作為微波主振的信號發生器，其典型調頻實現如圖5所示。YTO內部調諧磁場由主線圈和副(調頻)線圈兩部分生成，前者感抗大、調諧慢但調諧靈敏度高、調諧范圍寬、高頻干擾抑制好；后者感抗小從而調諧范圍窄但調諧速度快，并因為調諧靈敏度低而具有良好的干擾抑制特性。因此在實現調頻時需要利用二者的結合。但是由于頻率合成的作用，它的功能是保持輸出信號的頻率穩定性，與調頻/調相作用相反，因此當調制率越低時由于頻率合成鎖相環的作用越難以實現調頻，此時要想實現調頻/調相，更好的方法是對鎖相環頻率合成的參考進行調制。
5基于YTO的調頻實現
3主要技術指標及含義
（1）頻率特性
1.頻率范圍
微波信號發生器所產生的載波頻率范圍，該范圍既可連續亦可由若干頻段或一系列離散頻率來覆蓋亦稱頻率覆蓋，通常用其上、下限頻率表示，頻帶較寬的微波信號發生器一般采用多波段拼接的方式實現。
2.頻率準確度和穩定度
微波信號發生器頻率指示值和相應的真值的接近程度，可采用絕對頻率準確度或相對頻率準確度的方式給出。絕對準確度是輸出頻率誤差的實際大小，一般以kHz、MHz等表示；相對準確度是輸出頻率誤差與理想輸出頻率的比值，一般以10的冪次方表示，如1×10-6，1×10-8等。
一臺微波信號發生器的頻率準確度可通過下式得到：
頻率準確度=±（載波頻率x老化率x校準時間）
如1臺微波信號發生器的年老化率是3×10-8/年，校準時間間隔是1年，載波頻率為10GHz，則校準后一年的頻率準確度為±300Hz。
3.頻率穩定度
微波信號發生器輸出頻率隨溫度或時間的變化特性，主要由內部時基決定，溫度穩定性一般采用相對變化衡量，通常在10-7到10-8量級，隨時間的變化特性一般采用日老化率或者年老化率來衡量，日老化率一般在10-8到10-10量級之間。
4.頻率分辨力
微波信號發生器在有效頻率范圍內可得到并可重復產生的頻率最小變化量，體現了窄帶測量的能力，目前微波信號發生器一般能到赫茲甚至耗赫茲量級。
5.頻率轉換時間
微波信號發生器從頻率開始變化起，到頻率接近終止值并且與終止值的偏離保持在規定范圍內的時間間隔。
（2）頻譜純度
1.諧波頻率為基波頻率整數倍的正弦波。輸出信號中載波的二次諧波或多次諧波之和的有效值（或功率值）與載波基波有效值（或功率值）之比，通常用低于載波功率的分貝數表示，單位dBc。
2.分諧波頻率為基波頻率整約數的正弦波。分諧波輸出信號的有效值（或功率值）與載波基波有效值（或功率值）之比，用低于載波功率的分貝數表示，單位dBc。
3.非諧波頻率不等于基波頻率整約數或整數的正弦波。非諧波輸出信號的有效值（或功率值）與載波基波有效值（或功率值）之比，用低于載波功率的分貝數表示，單位dBc。
4.單邊帶相位噪聲是隨機噪聲對載波信號的調相產生的連續譜邊帶，用距離載波某一偏離處單個邊帶中單位帶寬內的噪聲功率對載波功率的比表示，單位dBc/Hz。
5.剩余調頻輸出的無調制連續波信號在規定帶寬內的等效調頻頻偏，單位Hz。
（3）功率特性
1.最大輸出功率能提供給額定負載阻抗的最大功率。
2.輸出功率范圍在給定頻段內可以獲得的可調功率范圍。
3.功率準確度在規定功率范圍內輸出信號提供給額定負載阻抗實際功率偏離指示值的誤差。
4.功率平坦度在某一功率輸出條件下輸出信號提供給額定負載阻抗實際功率輸出隨輸出頻率的相對起伏值。
5.源電壓駐波比（源駐波）由于外接負載特性變化而引起的射頻輸出端口駐波電壓最大值和駐波電壓最小值之比，它反映了微波信號發生器輸出阻抗偏離標稱阻抗的程度。
（4）調制特性
1）調幅按照給定的規律，改變載波幅度的過程。
2）調幅準確度調幅深度指示值和相應真值的接近程度。
3）調幅失真解調后的調幅信號相對調制前調幅信號的波形變形。
4）調頻按照給定的規律，改變載波頻率的過程。
5）調頻頻偏準確度調頻頻偏指示值和相應的真值的接近程度。
6）調頻失真解調后的調頻信號相對調制前調頻信號的波形變形。
7）調相按照給定的規律，改變載波相位的過程。
8）調相相偏準確度調相相偏指示值和相應的真值的接近程度。
9）調相失真解調后的調相信號相對調制前調相信號的波形變形。
10）脈沖調制按給定規律，載波在未調制電平和零電平之間重復接通和斷開，而形成載波脈沖的過程。
11）脈沖調制開關比
脈沖期內輸出的載波信號功率或電壓的有效值與在載波脈沖間隔期間輸出的剩余載波信號的功率或電壓的有效值之比，以分貝數表示，也可以簡單理解為脈沖調制時信號通斷之間的比值。
12）脈沖調制上升下降時間
已調脈沖包絡前后沿過渡波形的過渡持續時間，一般是從幅度的10%到90%的變化時間。
13）脈沖調制電平準確度
已調載波脈沖電平相對未調制前連續波電平的變化量，以分貝數表示。
4典型應用及注意事項
（1）典型應用:微波信號發生器的用途非常廣泛，從簡單的電阻、電容、電感等電子元件特性的測量，到雷達、電子裝備、通信電臺指標測試，甚至衛星、航天飛機、宇宙飛船等系統級的性能評估，均離不開微波信號發生器的支持。
1.接收機性能測試:在雷達、通信、導航等諸多電子設備中，各類接收機是其主要組成部分和關鍵分設備之一，對裝備的性能起著非常重要的作用。可利用微波信號發生器產生不同特性的標準信號，實現對接收機工作頻率范圍、靈敏度、動態范圍、帶寬、交調失真等諸多指標的測試。
2.發射機本振替代:微波信號發生器也可用于發射機指標測試中，比如可替代發射機的本振信號或中頻信號，實現對發射機增益、帶寬等指標的測試。
3.器件參數測試:在進行放大器、混頻器、濾波器等器件特性測量時，微波信號發生器產生一定頻率、功率的激勵信號，注入到被測器件中，將經過器件后輸出的信號與注入激勵信號相比對，就可得到器件的帶寬、頻響、插入損耗、增益等指標。
4.自動測試系統搭建:微波信號發生器還可與其它測量設備一起，搭建自動測試系統，從而大大提高測試效率和測試重復性。
（2）使用注意事項:微波信號發生器是一種價格昂貴、技術復雜的測試儀器，具有很高的頻率穩定度和準確度，在使用合成信號發生器時，應注意以下問題：
阻抗匹配：微波信號發生器的典型輸出阻抗為50Ω，故微波信號發生器與被測設備的連接電纜的特性阻抗必須是50Ω。在微波信號發生器的輸出端，阻抗的失配表現為信號幅度的減小和高的電壓駐波比。當微波信號發生器用于75Ω的設備時，通常應加一阻抗匹配衰減器進行匹配。
時基預熱：微波信號發生器內部都使用了高穩晶振作為時間基準，必須將儀器預熱一段時間，讓高穩晶振達到它預定技術指標后再使用，輸出才能滿足規定的穩定度和準確度指標。一般情況下，微波信號發生器內部晶振恒溫裝置的電源不經過儀器的電源開關，當儀器的電源插頭插入插座后，無須開啟儀器的電源開關，晶振的恒溫裝置就開始工作了。在對頻率穩定度要求特別高的情況下，不應將儀器電源插頭從交流電源插座中拔出。
定期校準：微波信號發生器的輸出頻率準確度會隨時間發生變化，因此，每隔一年時間或者根據需要，將微波信號發生器送交具備計量資格的單位重新調校一次。
大功率反灌：微波信號發生器的輸出阻抗一般為50Ω，當有大信號（瓦級功率的信號）反灌輸入時很容易燒毀內部的微波電路，此外直流電壓輸入也很容易引起內部微波電路的燒毀，因此在使用過程中應特別注意避免大功率反灌信號，特別是輸出接外部功放時應格外注意。
用電安全：參照微波信號發生器電源要求，采用三芯電源線，使用時保證電源地線可靠接地，浮地或接地不良都可能導致儀器被毀壞，甚至對操作人員造成傷害。儀器不要處于容易形成霧氣的環境，例如在冷熱交替的環境移動儀器，儀器上形成的水珠易引起電擊等危害。
注意維護：微波信號發生器內部一般都裝有散熱風機和防塵濾網，來保證儀器內部的溫度在安全工作范圍內，為保證良好的通風性能，防塵濾網應根據使用說明書的要求定期清洗。另外，要使儀器背面空氣流動暢通無阻，不應將儀器緊靠墻壁或堆放在其他發熱的測試設備上面。
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