多通道微波信号发生器中的相参通道和切换

AnaPico Inc. and Berkeley Nucleonics Corporation，www.anapico.net.cn

电子产生的信号频率总是有相位噪声或频率抖动。随着时间的推移和环境温度的变化，信号将进一步漂移。产生准确和稳定的信号频率，对于许多应用来说，保持多通道之间的相对频率和相位稳定是一个基本的和持续的挑战。如果同一频率的两个信号之间的相位差保持恒定——在现实中，相位差的变化随着时间的推移保持很小，那么这两个信号就被认为是相参的。多通道相参信号被广泛用于量子计算、雷达、"智能"天线的波束成形和光谱学等应用中。为了支持这些不同的应用，AnaPico开发了一系列的相参信号源。

模拟和矢量模型

APSYN420-X、APUASYN20-X和APSYN140-X多通道相参频率合成器的上部频率分别为20、20和43.5GHz，在20GHz载波的10kHz偏移时，相位噪声为-100至-115dBc/Hz。这些设备的最大输出功率高达25dBm，它们分别与10、100和1至250MHz的参考输入频率一起工作，提供10和100MHz的参考输出。

APMS-X系列是模拟信号发生器，具有多个相参的输出，频率为6、12、20、33和40GHz，在20GHz载波的10kHz偏移下，相位噪声为-115dBc/Hz。信号发生器提供振幅、频率、相位和啁啾调制，输出功率水平从-90到+25dBm，取决于配置。APMS-X系列的参考输入频率为10、100、1000、3000和1至250MHz，参考输出为10和100MHz以及3GHz。

APVSG-X系列是多通道、相参的矢量信号发生器（VSG），上部频率为6、12、20和40GHz，在20GHz载波的10kHz偏移下，相位噪声为-95dBc/Hz。该系列在20GHz时提供从-60到+15dBm的输出电平，输出可以用模拟振幅、频率和相位调制以及I/Q数字调制，带宽为400MHz。参考输入有10、100、1000、3000和1至250MHz，VSG提供10和100MHz及3GHz的参考输出。APVSG-X系列有一个快速控制端口，用于快速数字I/Q流、快速稳定跳频和快速地址驱动的I/Q回放。

AnaPico产品组合中的所有信号源都有共同的特点：在5GHz下5小时内相位一致性为±0.2至±0.5度RMS相位变化，通过高频时钟进行模块间同步。校准后，室温下的频率精度为±10ppb，漂移为每天±0.5至±5ppb。这些装置具有低功耗，每个通道约20W，而且设计得很紧凑。四个独立的通道可以放在一个1U的19英寸机架中。

相参

基于多年的微波电路设计经验，AnaPico采用多种方法来实现出色的多通道相位一致性。所有的输出通道都是从一个共同的、高频的、基于锁相环（PLL）的基准进行数字合成的；PLL的受控锁相具有非常低的相位噪声。所有的数字频率合成通道都使用为最小加性噪声而选择的元件，所有的通道都被封装在一个类似的热环境中，以确保相同方向的温度变化和类似的长期漂移。为了实现不同物理模块中具有独立频率参考的通道之间的相位一致性，除了提供10、100和1000MHz的参考之外，还使用了3GHz的同步信号。

图1显示了APMS-X系列的相位一致性性能。蓝色曲线表示在5GHz时两个通道之间测量的相位差。这两个通道是在正常的实验室环境下设置在同一个机架式模块中，测量时间为10小时。相位差的变化范围很小：5小时内的有效值为±0.2度。绿色曲线显示了来自两个不同机架式安装模块的两个通道之间的相位差，并使用3GHz同步信号。所有其他条件都与蓝色曲线相同。这里，相位差的变化在5小时内约为±0.5度。红色曲线重复了绿色曲线所示的测量，只是模块间同步信号使用的是100MHz的外部参考，而不是3GHz的参考。较大的相位误差显示了使用较高的参考频率以实现更好的相位稳定性的好处。

图1 测量的通道间相参性与时间的关系。

相参开关和存储器

APMS-X和APSYN140-X系列提供相参开关（选项PHS），如图2所示。一旦两个通道被设置为相同的频率，它们将总是有一个确定的相对相位，也就是说，相位差随着时间的推移保持不变。当其中一个通道改变频率时，一旦两个通道再次处于同一频率，它就会保持恒定的相位差。只有改变频率的通道表现出相位不连续（图2a）。

图2 相参开关（a）与相位记忆（b）。

选项PHS还提供了一个叫做相位记忆的功能。考虑到一个频率跳动的单通道。当频率跳回之前的频率时，相位会回到之前的状态，就像频率从未改变一样（图2b）。对于多通道信号源，相位记忆功能在关闭和开启信号源后迅速恢复"保存"的相位差。

将相参切换和相位记忆与信号源的快速频率稳定特性相结合，使信号源能够配置一个跳频系统，可用于引导具有与持续波束方向相应的相位差的天线阵列。