信号发生器产生高频信号时如何保持信号纯度？

信号发生器在产生高频信号时，需通过硬件设计优化、噪声抑制技术、智能补偿算法以及系统级协同控制等综合手段，才能保持信号纯度（即低相位噪声、低谐波失真、低杂散等特性）。以下是具体技术路径与实例分析：

一、核心硬件设计：从源头降低噪声与失真

1. 低相位噪声振荡器设计

高频信号的纯度首先取决于振荡器的相位噪声性能。现代信号发生器采用以下技术优化：

• 负阻振荡器：通过负阻电路抵消谐振器的损耗，提高Q值，从而降低相位噪声。例如，是德科技MXG系列在毫米波频段（如80GHz）采用GaN HEMT（氮化镓高电子迁移率晶体管）实现负阻，将相位噪声优化至-120dBc/Hz@100kHz。
• YIG（钇铁石榴石）振荡器：利用YIG材料的磁调谐特性，在高频段（如2-50GHz）实现极低相位噪声。例如，R&S的SMF100A YIG振荡器在10GHz时相位噪声低至-130dBc/Hz@10kHz。
• 锁相环（PLL）与直接数字合成（DDS）协同：
  • 分数-N分频PLL：通过细分参考频率，降低分频比带来的相位噪声。例如，ADI的ADF4371分数-N PLL在40GHz频段将参考杂散抑制至-80dBc以下。
  • DDS预失真补偿：在DDS输出后插入预失真滤波器，抵消后续模块（如放大器）的非线性失真。例如，TI的TSS7916 DDS芯片集成预失真功能，可将谐波失真从-40dBc优化至-60dBc。

2. 低失真放大器设计

高频放大器需兼顾增益、带宽与线性度，避免引入谐波与交调失真：

• 差分放大器：利用共模抑制特性消除偶次谐波。例如，Keysight的E8267D矢量信号发生器在20GHz频段采用差分输出，三阶交调失真（IMD3）低至-70dBc。
• Doherty放大器：通过主/辅放大器协同工作，提高峰值效率并降低失真。例如，罗德与施瓦茨SMW200A在毫米波频段采用Doherty架构，输出功率波动控制在0.1dB以内。
• 线性化技术：
  • 数字预失真（DPD）：通过实时建模放大器的非线性特性，反向补偿输入信号。例如，Anritsu的MG3710A在6GHz频段采用DPD技术，将邻道功率比（ACPR）优化15dB。
  • 包络跟踪（ET）：动态调整放大器供电电压，保持高线性度。例如，是德科技的N5193A UXG毫米波信号发生器采用ET技术，将效率提升至40%以上，同时失真降低10dB。

二、噪声抑制技术：从电路到系统的全链路优化

1. 电源噪声抑制

电源噪声会通过寄生参数耦合到信号路径，需通过以下措施隔离：

• 低噪声LDO（低压差线性稳压器）：为高频模块提供超低噪声电源。例如，ADI的ADP1764 LDO在100kHz频段噪声低至4μVrms，可满足毫米波信号发生器需求。
• 隔离变压器：在电源与信号路径间插入变压器，阻断直流耦合。例如，Keysight的MXG系列采用隔离变压器，将电源噪声对相位噪声的影响降低至-150dBc/Hz@10kHz。
• 电源滤波网络：在关键模块（如VCO）供电端添加LC滤波器，抑制高频噪声。例如，R&S的SMW200A在毫米波模块供电端采用π型滤波器，将电源纹波抑制至1mVpp以下。

2. 电磁屏蔽与隔离

高频信号易受外部干扰，需通过屏蔽与隔离技术保护：

• 金属屏蔽腔体：将高频模块（如振荡器、混频器）封装在金属腔内，减少模块间串扰。例如，Anritsu的MG3710A在毫米波前端采用双层屏蔽腔体，将串扰抑制至-100dB以下。
• 波导传输线：在极高频段（如100GHz以上）采用波导替代微带线，降低辐射损耗。例如，是德科技的N5291A 110GHz信号分析仪采用波导接口，插入损耗低至0.5dB/cm。
• 光纤传输：在远距离信号传输中采用光纤，避免电磁干扰。例如，R&S的FSW信号分析仪支持通过光纤将高频信号传输至外部模块，保持信号纯度。

三、智能补偿算法：软件修正硬件非理想特性

1. 实时寄生参数补偿

高频信号路径中的寄生电容、电感会引入群延迟与幅度波动，需通过算法实时修正：

• 行为级建模：基于测量数据建立寄生参数频变模型，并通过DSP修正输出信号。例如，R&S的SMW200A在毫米波频段采用行为级模型，将寄生电容引起的群延迟变化从10ps补偿至0.1ps以内。
• 自适应滤波：在信号路径中插入自适应滤波器，动态抵消谐波失真。例如，Keysight的E8267D在20GHz频段采用自适应滤波，将三阶交调失真从-50dBc优化至-70dBc。

2. 温度与老化补偿

器件参数会随温度与时间漂移，需通过传感器反馈与算法预测修正：

• 温度传感器反馈：通过内置温度传感器监测关键器件（如VCO、放大器）温度，结合校准曲线实时调整输出。例如，Anritsu的MG3710A在-10℃至+55℃范围内，通过温度补偿将相位噪声波动控制在±0.5dB以内。
• 老化预测算法：基于器件使用时间、温度历史等数据，预测参数长期漂移并提前修正。例如，Keysight的MXG系列采用老化预测算法，将10年使用后的相位噪声恶化从3dB限制在1dB以内。

四、系统级协同控制：多模块联合优化

1. 锁相环（PLL）与参考源协同

PLL的参考源质量直接影响输出信号纯度，需采用低噪声参考：

• 超低噪声晶振：如OCXO（恒温晶振）或SAW（声表面波）振荡器，提供低相位噪声参考。例如，是德科技的81160A脉冲信号发生器采用OCXO参考，在10MHz时相位噪声低至-170dBc/Hz@1Hz。
• 参考源倍频与滤波：通过倍频器将低频参考提升至高频，并插入滤波器抑制杂散。例如，R&S的SMF100A在10GHz频段采用20倍频+腔体滤波器，将参考杂散抑制至-90dBc以下。

2. 模块间隔离与匹配

高频模块间的阻抗失配会引入反射与损耗，需通过匹配网络优化：

• 宽带匹配网络：在放大器、滤波器等模块间设计宽带匹配电路，确保阻抗连续性。例如，TI的TRF370417毫米波上变频器采用宽带巴伦匹配，在20-40GHz频段回波损耗优于15dB。
• 隔离放大器：在模块间插入隔离放大器，阻断直流耦合与寄生参数影响。例如，ADI的ADL5330隔离放大器在毫米波频段提供60dB隔离度，可显著降低模块间串扰。

五、典型应用案例：毫米波信号发生器的信号纯度优化

案例1：Keysight MXG N5183B 900GHz信号发生器

• 技术：
  • GaN HEMT负阻振荡器+ TSV 3D集成：降低寄生电容，提高Q值。
  • 行为级建模补偿：实时修正寄生参数引起的群延迟与幅度波动。
• 效果：
  • 相位噪声：-90dBc/Hz@100kHz
  • 谐波失真：-60dBc
  • 插入损耗：3dB（900GHz频段）

案例2：R&S SMW200A 110GHz信号发生器

• 技术：
  • 差分结构+ 陶瓷填充PTFE基板：减少寄生电感与电容。
  • 自适应滤波+ 双层屏蔽腔体：抑制谐波失真与模块间串扰。
• 效果：
  • 相位噪声：-95dBc/Hz@100kHz
  • 三阶交调失真：-70dBc
  • 群延迟波动：2ps（110GHz频段）