频率合成器产品荟萃
当然，从微小的系统级芯片(SoC)器件和紧凑的模块到粗糙的军用级架式安装系统和台式(bench-top)仪器，频率合成器有多种不同的形状和尺寸。现有的频率合成器技术几乎就像其封装型号一样各不相同，包括模拟技术、数字技术或两者的结合(后者更为常见)。传统上，频率合成器依赖于锁相环(PLL)架构，这个架构把可调振荡器(如压控振荡器或YIG调谐振荡器)的相位锁定在具有固有高稳定性的参考源(如OCXO，恒温晶体振荡器)的相位。
早期为无线便携设备设计的大多数SoC合成器设计都依赖PLL架构，通过单一的RF或IF合成器来提供无线接收器或发射器所需要的本振(LO)频率。最近，富士通微电子美国公司(www.fujitsu.com)等领先的PLL芯片供应商已经在一块单芯片上组合了多个PLL电路，比如，该公司的MB15U30SP是一种串行输入式PLL合成器，带有2.5GHz和510MHz预定标器(prescaler)，能够产生达到这些最高频率的输出信号。这种双PLL可以节省出一块IC的电路板空间，非常适于要求采用RF和IF信号作为本振的移动通讯应用。
类似地，美国国家半导体公司面向数字蜂窝应用提供LMX2364双频率合成器，它基于分数N和整数N综合两种可选的频率合成技术。这款IC将2.6GHz分数N合成器和小功率850MHz整数N合成器组合在一起，分数N合成器技术也是美国模拟器件公司(ADI)生产的ADF4154型IC的基础。这种单频率合成器把整数和分数寄存器相结合来产生高分辨率和低噪声的输出信号，频率范围为0.5-4.0GHz。
ADI也是增长最快的频率合成技术之一——直接数字合成(DDS)技术的供应商。DDS技术把数字指令存储在频率和相位累加器(accumulator)中，并通过高性能数模转换器(DAC)把数字指令转换成CW(连续波)和调制波。基于奈奎斯特定理(采样频率至少是信号频率的二倍，以使数字代码可靠地表达原始信号)，按照经验保守地来说，直接数字合成器可以以时钟频率40%左右的频率可靠地产生输出信号。
例如，ADI的AD9858是一种带有积分式10位DAC的完全的直接数字合成器。其工作频率高达1GSps，因此可输出400MHz或更高的频率。使用32位的频率调谐字(FTW)，该合成器的频率分辨率可达1Hz以下。其板上DAC的相位噪声低于-130 dBc/Hz(载波偏移1kHz处)。频率调谐和控制字按照8位并行或串行格式加载到AD9858。实际上，AD9858工作频率可达到2GHz，因为它在时钟输入端口包含有一个除2电路。
DDS技术先驱之一Sciteq电子公司目前是Meret光学系统公司的一部分。Meret光学公司依然支持许多Sciteq DDS产品，其中包括时钟频率最高达500MHz的基于镓锗的ADS-63x。这一模块的尺寸为5×7×1.125英寸，可以提供内部时钟或依靠外部时钟驱动。依靠其32位频率字和230MHz的高带宽，这款DDS的频率分辨率高于0.12Hz，频率切换速度高于65ns。从100MHz载波偏移1kHz处的相位噪声优于–105dBc/Hz，在180MHz处的杂波水平低于–55dBc。
除了提供PLL合成器和PLL/DDS组合型器件之外，该公司还提供采用双累加器架构、可产生线性频率调制波(线性FM或chirp)的DCP-1 DDS模块。该模块运行频率最高达500MHz，可产生频率高达230MHz的输出信号，尺寸为1×5×7英寸。这个紧凑的模块包含电源、参考源、时钟发生器、输出滤波器、控制接口和冷却扇，适用于电子战(EW)、导弹导引头、压缩型接收器(compressive receiver)和合成孔径雷达(SAR)等应用，另外，该公司还提供外壳高度为5.25英寸的架装型产品。
ITT Microwave公司提供的WaveCor系列模块化频率合成器也是基于DDS技术的产品。同Meret Optical公司相比，ITT Microwave公司是从斯坦福电信公司获得了DDS技术。ITT公司的STEL-2375B是一种DDS chirp合成器，其最高时钟频率为1GHz，输出频率范围为从直流到400 MHz。其32位的频率分辨率也使频率步长精细到0.23Hz，其高精度DAC的杂波水平低于–50 dBc。这个模块型合成器的尺寸仅为2.33×1.14×0.21英寸。
Synergy Microwave公司提供的运行频率为1900 MHz到4100MHz、频率步长为1MHz的FSW190410-100表面安装单元，是封装尺寸最小的频率合成器之一，封装尺寸只有0.940×0.940×0.300英寸。这种输出功率为+3dBm、杂波水平为–70 dBc的微型合成器可以在10ms(典型值)之内稳定到一个新的频率。从载波偏离1 kHz和100 kHz处的相位噪声分别为–85dBc/Hz和–110dBc/Hz。
dBm公司提供的FSS系列宽带模块式频率合成器的频率覆盖范围为6到18GHz。这种紧凑型单元的输出功率为+13dBm，标准频率分辨率为1MHz，杂波成分为–50dBc。偏离载波100Hz和100kHz处的相位噪声分别为–65dBc/Hz和–90dBc/Hz。这种模块式合成器的尺寸为8.75×4.76×4.75英寸，使用14位二进制控制码，切换时间不高于200 ？s。
尽管前面提到的许多产品利用DDS技术实现了高分辨率和高切换速度，但从更早以前开始人们就在使用直接模拟技术来产生开关速度极高、干净且稳定的输出信号。这类合成器的最著名的供应商之一——Aeroflex公司向自动测试设备(ATE)、电子战(EW)模拟器、雷达和雷达横截面(RCS)测量等众多应用领域提供FS5000直接模拟频率合成器。这些频率合成器频段范围从300MHz到26.5GHz，通过对参考源进行乘法和除法运算来产生一组频率，并通过开关和滤波器从中选出期望的输出。由于所有输出频率一直处于“开”状态，只需进行选择就可以获得期望的信号，因而调整时间极短。尽管该方法使用的元件数量多，但它可以获得相对高的频谱纯度(依赖于参考源的品质)以及最快的开关速度。
例如，在该产品的频率范围内，FS5000的频率切换时间可达200ns甚至更短，输出功率为+10dBm，通过并行BCD或GPIB控制实现频率切换。这种合成器使用架装式机箱，标准频率分辨率为1MHz，并提供更高的备选分辨率。
Herley-CTI公司的DS系列宽带直接频率合成器的覆盖范围为10MHz到20.48GHz，频率切换时间为30ns到1？s，其频率分辨率达1Hz，而10GHz载波偏移10kHz处的相位噪声为–120 dBc/Hz。对于要求较小带宽的应用，该公司也提供DSX系列的直接频率合成器，频率范围为0.5 到18.0 GHz的25%。
该公司还为军事和商业应用提供VSS系列微型频率合成器。这些紧凑型合成器的频率范围为500MHz 到14GHz的5 %-17 %，从900MHz载波偏移10kHz和100kHz处的相位噪声分别为–115dBc/Hz和–137dBc/Hz。该产品尺寸只有2.25×2.64×0.5英寸。
MITEQ公司的SLS系列快速调谐合成器的调谐范围为1到15GHz的二分之一倍频程。这种基于PLL的合成器仅需500 ？s 就可对新的频率实现相位锁定，带内杂波性能达–70dBc。频率步长的范围为200kHz到10MHz(依赖于频率)，最小输出功率为+10dBm。
Micro Lambda无线公司尽管以其低噪声YIG振荡器而著称，但它也提供基于YIG技术的频率合成器。例如，MLSE系列的宽带合成器有三个型号，分别覆盖2到20GHz、1到22GHz和2到22GHz，频率分辨率均为1Hz。这些产品的输出功率高达+20dBm，全频的切换时间达31ms或更短，跳跃100MHz频宽的切换时间为10ms。杂波成分为-60dBc，而从10GHz载波偏移100Hz和100kHz处的相位噪声分别为–78dBc/Hz和–117dBc/Hz。MLSE合成器的尺寸为7×5×2。
该公司还开发了基于永磁YIG调谐振荡器(PMYTO)的MLSL系列微型频率合成器。该MLSL系列频率范围为2到12GHz，调谐步长为2GHz，封装尺寸为2.5×2.5×1.0英寸。从载波偏移10kHz时的相位噪声典型值为–98 dBc/Hz，杂波水平低至-70dBc。该系列合成器耗能低于6W，切换速度为100ms。
Wide Band Systems公司最知名的产品或许是瞬时测频(IFM)接收器和数字鉴频器(DFD)，它也提供一种运行在2.25到18.0GHz范围内的宽带、快速调谐合成器。这种频率合成器采用双体架装机箱或紧凑型6×6×1英寸模块，输出功率为+13dBm，最大杂波水平为-60dBc。从载波偏移1kHz和100 kHz处的相位噪声典型值分别为–75dBc/Hz和–95dBc/Hz。开关速度典型值为3？s。标准频率分辨率为1MHz，不过还可以提供最高分辨率为5 kHz的产品。
Anritsu公司提供的MG3690B系列间接频率合成器是功率最大的合成器之一，其标准型号的输出功率为+17dBm(最高频率为20GHz)，并提供输出功率为+23dBm(最高频率为20GHz)的非标准产品。这些合成器从0.1Hz到65GHz有多种不同的带宽型号，可以在大约5ms时间内跳过1GHz的频段。如果与该公司的63850-xx系列的限带波导(waveguide)乘法器相结合，频率范围可以扩展到325GHz。
Elcom技术公司生产的UFS-18直接模拟合成器也是一个超宽带频率合成器，其开关速度为200ns，频率范围为300MHz到1.8GHz。其标准频率分辨率为1Hz，输出功率为+10dBm，杂波水平为–65dBc。从10GHz载波偏移10Hz、100Hz、10kHz和10MHz处的相位噪声分别为–55dBc/Hz、–85dBc/Hz、–117dBc/Hz和–140dBc/Hz。该合成器内置有频率准确性达1PPM的恒温晶体振荡器(OCXO)。该产品可通过44位并行BCD指令代码或GPIB指令代码远程编程。
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| 图1：PXI-5670是一款PXI向量信号发生器，频率范围为250kHz-2.7GHz，实时带宽为22MHz。 |
PTS(Programmed Test Sources)公司是历史最久的直接模拟频率合成器供应商之一。其频率最高的仪器PTS 6400可以以20 ？s或更短的开关时间从1Hz调整到6400MHz。尽管其基本架构是模拟的，但也包含用来实现相位连续切换的DDS，最高频率分辨率可达1Hz。输出功率从–3到+7dBm，平坦度为±1 dB。PTS6400从载波偏移100 Hz和10 kHz处的相位噪声分别为–99 dBc/Hz和–116 dBc/Hz，噪声基底为–136 dBc/Hz。类似于FS5000，它可以通过BDC或GPIB远程编程。
FS5000和PTS 6400是全尺寸架装式仪器的代表。但一些用户，特别是面向军事测试的用户，希望得到性能类似但更紧凑的产品。为满足这个需求，Aeroflex公司开发了在3U PXI机箱中占用3个插槽的3020系列PXI合成信号发生器。3020系列包括三个型号，频率范围分别为250MHz-2.5GHz、250MHz-2.7GHz和86MHz-6GHz，频率切换速度典型值为250？s。该产品的调制带宽高达28MHz，可以支持数字射频中使用的复杂调制格式，输出功率范围为–120到+5dBm，平坦度高达±0.3 dB。
NI公司的PXI-5670是另一种PXI合成信号发生器，能够以22MHz的实时带宽产生250kHz-2.7GHz的向量输出信号。它可以产生16位数字波形，因此这种三槽、3U的PXI信号源(图1)非常适用于产生从正交幅度调制(QAM)到频移键控(FSK)调制的各种调制波。其功率输出范围为–145到+13dBm，功率调整速度为35ms(典型值)。从载波偏移1kHz相位噪声典型值为–87dBc/Hz，杂波水平典型值为–80dBc。
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| 图2：采用VME模块格式的VMESG频率合成器，工作频率范围为0.5-18GHz。 |
为满足军事应用的严格和多变的要求，Elcom技术公司开发出采用VME模块格式的VMESG频率合成器。该频率合成器(图2)在VME主机中占据3或4个槽，使用VME 64X接口来实现与宿主处理器和其它相连的VME设备的通讯，其频率调节范围为0.5到18.0GHz，频率分辨率达1Hz。从10GHz载波偏移100 Hz和10kHz处的相位噪声分别为–75dBc/Hz和–95 dBc/Hz。从载波偏移10MHz处的相位噪声下降到–1450dBc/Hz。谐波水平为–55dBc，杂波水平高达-60dBc。
VMESG频率合成器在很宽的频率范围内提供+11dBm的输出功率，幅度平坦度为±1dB。该信号发生器与其它VME单元的不同之处是频率敏捷性，它具有在200？s或更短时间内稳定到1dB的能力。该合成器可以在50 ？s 内稳定到一个新的幅度水平(误差在1dB内)，可以在44位并行BCD码VME标准总线上发送指令远程控制切换速度。作为备选方案，该公司也提供带有GPIB或以太网接口的版本。
由于有些合成器需要产生数字调制格式，因此带有外部同相或正交(I/Q)调制信号输入或带有可产生宽带调制的内部I/Q信号源。在这些产品中，Keithley仪器公司生产的2910系列向量信号发生器是最新的一款。该发生器在400MHz-2.5GHz的连续频率范围内的调制带宽为40MHz，如果使用外部I或Q信号源，也可达到超过100MHz的调制带宽。这种半架装仪器内置有任意波形发生器和波形库，应用对象是要求复杂调试格式的高频测试。
Rohde & Schwarz公司生产的SMU200A向量信号发生器(图3)可以提供更大的调制带宽，在100kHz到2.2或3.0GHz的频率范围内I/Q调制带宽达200MHz。该合成器从1GHz载波偏移20 kHz处的相位噪声达–135dBc/Hz，与2910类似，它也带有内置的任意波形发生器。
在通过数字输入信号定义输出波形的任意波形发生器中，越来越多地融合了频率合成技术和数字信号处理技术，Agilent公司生产的N8241A双通道合成仪器(SI)模块就是其中的一个。N8241A是为满足军事测试对可软件定义仪器的需要而设计的，该产品采用LXI(LAN eXtension for Instrumentation)模块格式，分辨率为15位，最高采样频率达1.25GSps，可以以每通道500MHz带宽或以I/Q格式的1GHz带宽产生单端或差分输出信号。从载波偏移1kHz和10kHz处的相位噪声分别为–95 dBc/Hz和–115 dBc/Hz。杂波性能为–75 dBc/Hz。
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| 图3：SMU200A向量信号发生器，工作频率范围为100kHz到2.2或3.0GHz， I/Q调制带宽达200MHz |
LeCroy公司虽然主要生产高性能示波器，但也生产单槽3U PXI格式的PXA125任意波形发生器。这种分辨率为14位、最高时钟速率为125MSps的信号源可以从微波源调制出多种频率形式的高频载波。按照40%法则，它可以以1？Hz分辨率产生大约50MHz的输出信号。
Tektronix公司也提供一系列采样速率为4.2GSps和垂直分辨率为16位的任意波形发生器，其AWG710B的最高采样速率为4.2GSps，最高输出频率为2.1GHz。该产品带有可产生无限波形循环、跳频模式和任意IF和I/Q信号的实时音序器。