高性能扫频信号源的基本要求及组成

1.概述

（1）扫频信号的作用

输出信号的频率随时间按一定规律、在一定范围内重复连续变化的信号源称为扫频信号源。在频域测试中，电路频率特性的测量系统常用扫频信号源作为激动源。扫频信号源之所以能获得广泛应用，是因为扫频与点频测量方法相比，具有以下优点：

1）可实现网络频率特性的自动测量。一条频率特性曲线是由许多个频率点构成的，在进行电路调试过程中，用扫频方法可以快速地、实时地获得一条频率特性曲线，这样可以一面调节电路中的有关元件，一面观察荧光屏上频率特性曲线的变化（即图示测量），从而迅速地将电路性能调整到预定的要求。

2）由于扫频信号的频率是连续变化的，因此，所得到的被测网络的频率特性曲线也是连续的，不会出现由于点频法中频率点离散而遗漏细节的问题。

3）点频法是人工逐点改变输入信号的频率，速度慢，得到的是被测电路稳态情况下的频率特性曲线。扫频测量法是在一定扫描速度下获得被测电路的动态频率特性，而后者更符合被测电路的应用实际。

（2）扫频信号源的基本要求

对扫频信号源的基本要求是：

1）中心频率范围大且可连续调节。中心频率是指扫频信号从低频到高频之间中心位置的频率。不同测试对象对中心频率的要求也不同。

2）扫频宽度（常用频偏进行描述）要宽且可任意调节。频偏是指扫频信号的瞬时频率与中心频率的差值。显然，频偏应能覆盖被测电路的通频带，以便测出完整的频率特性曲线。

3）寄生调幅要小。理想的扫频波应是等幅波，因为只有在扫频信号幅度保持恒定不变的情况下，被测电路输出信号的包络才能表征该电路的幅频特性曲线。

4）扫频线性度好。扫频信号的频率和控制电压之间的关系为扫频特性。当扫频特性为直线关系时，示波管的水平轴则变换成线性的频率轴，这时幅频特性曲线上的频率标尺是均匀分布的。在测试宽带放大器时，若使用对数幅频特性，则要求扫频特性是对数关系。

5）扫频信号应能产生同步的扫描信号和频率标志。

（3）扫频源的主要指标

1）有效扫频宽度。有效扫频宽度即扫频源输出的扫频线性度和振幅平稳性均符合要求的最大频率覆盖范围，一般用相对值表示，即

其中Δf=f₂-f₁，表示扫频起点f₁与终点f₂之间的频率范围；f₀=（f₁+f₂）/2，表示扫频输出的中心频率或平均频率。

2）扫频线性。扫频线性表示扫频振荡器的压控特性曲线的非线性（或线性）程度，可以用线性系数表征为

式中，（k₀）max表示压控振荡器（VCO）的最大控制灵敏度，亦即f-U曲线的最大斜率（df/dU）；相应地，（k₀）_min表示VCO的最小控制灵敏度，对应于f-U曲线的最小斜率。

由式（9-9）可见，线性系数越接近1，压控特性曲线的线性就越好，代表着扫频信号的频率变化规律与控制电压的变化规律越一致。

3）输出振幅平稳性。输出振幅平稳性通常用扫频信号的寄生调幅表示。调幅系数为

式中，A₁、A₂分别指发生寄生调幅时的最大、最小幅度。

2.扫频信号源的组成原理

（1）扫频信号源的组成

一个典型的扫频信号源原理框图如图9-15所示，主要包括扫频振荡器、扫描信号发生器、频标产生电路及自动稳幅控制环路（Automatic Loop Control，ALC）等。

图9-15 扫频信号源的组成

扫频振荡器用于产生扫频信号，上下频率限分别用f₂、f₁表示。扫描信号发生器一方面产生适当的扫描电压或电流，对振荡器进行电调谐，使其频率在f₁～f₂范围内的任意频段上扫变；另一方面为了自动重复扫频，产生一个幅度可变的锯齿波用来驱动显示器，从而产生水平（频率）轴。采样检波器用于对扫频输出信号的幅度进行采样监测，并和稳幅放大器一同组成闭环反馈通路，实现自动稳幅控制。图中点画线框表示其中的本振和混频部分并不是所有扫频源都必备的电路。对输出频段较窄的扫频源，可以不采用混频电路，扫频振荡器产生的信号经滤波、放大和输出衰减器之后直接输出；对较宽扫频输出的扫频源，混频器可以将扫频振荡器的输出频段f₁～f₂向上或向下扩展，增大扫频输出范围。

（2）扫频振荡器的原理

振荡器是扫频信号源的核心部件。实现扫频振荡的方法很多，目前广泛采用的是变容二极管扫频；若要获得较高的扫频频率（几十到几百兆赫兹），可采用磁调电感扫频；要得到更高的扫频频率（千兆赫兹级），可则采用YIG（钇铁石榴石）扫频。

1）变容二极管扫频。变容二极管扫频振荡器和一般频率可调的LC振荡器没有原则的区别。不同的是，一般频率可调的LC振荡器用波段开关切换不同的电容，达到改变频率的目的；而变容二极管扫频振荡器用一个或多个变容二极管和回路电容并联，当变容二极管容量改变时，达到改变频率的目的。

变容二极管是利用半导体PN结的结电容随反向电压变化这一特性而制成的半导体二极管，它是一种电压控制的可变电抗器。可以证明，变容二极管的电容特性为

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式中，C_j0为变容二极管反向电压为零时的结电容；U₀为PN结势垒电压；n为电容的变化系数，取决于PN结的变化结构；U为加到变容二极管两端的反向电压。

当变容器两端加上扫描信号（例如锯齿波电压）时，电容C_j按式（9-11）的函数变化。根据，当L不变时，若C值变化，则频率f也随之变化。对变容二极管扫频振荡器而言，只有采用电容指数n=2的超突变结变容二极管才能得到线性的f-U曲线，否则就无法完全避免扫频非线性。

2）磁调电感扫频。磁调电感法扫频是通过磁场改变电感量，从而达到改变振荡器频率的目的。

根据电磁学理论可知，一个带磁心的电感线圈，其电感量L_C与该磁心的有效磁导率_μ0之间存在着线性关系。即

L_C=Lμ₀=Lμ～η （9-12）

式中，L为空心线圈的电感量；μ₀为有效磁导率；μ～为磁心的增量磁导率；η为磁心的利用率。

磁调电感法扫频就是根据式（9-12）工作的，其原理如图9-16所示。

将绕有高频线圈L_C的高频磁心M镶在一个低频磁心SM的磁路中，低频磁心上绕有两组线圈L₀和L_m，在L₀中通以直流电流I₀，I₀在高频磁心中产生直流偏置磁场H₀，H₀用以改变高频磁心的工作点。在L_m中通过扫描电流I_m，经变压器耦合产生电流I_Q，I_Q在高频磁心中产生可变化的偏置磁场H_m。

可以证明，μ～随外加偏置磁场强度H_m的变化而变化。当偏置磁场强度增加时，μ～要减小，因此带磁心的电感线圈的电感量L_C也要减小，若用这种线圈作为LC正弦振荡器的谐振回路电感线圈，则振荡频率将随外加直流电场的变化而变化，这种振荡器称为磁调电感振荡器。若外加电压为扫描电压U_m，则会产生变化的电流，从而电感量L发生变化，由它构成的振荡电路的频率最终跟随扫描电压U_m的变化而变化，实现磁调电感扫频。

图9-16 磁调电感法扫频的原理图

磁调电感振荡器的振荡频率为

式中，L为空心线圈的电感量；μ～为磁心的增量磁导率；η为磁心的利用率；C为谐振回路的电容。

利用磁调电抗器的扫频方法，电路简单，能在寄生调幅较小的条件下获得较大的扫频宽度，比较适合在几十到几百兆赫兹的超高频段内使用。

3）YIG电调扫频。YIG是一种单晶铁氧体材料钇铁石榴石的简称，具有铁磁谐振特性。YIG扫频的基本原理是：将YIG材料做成小球形状，适当定向后置于直流磁场H₀内。利用单晶铁氧体内电子的自旋产生磁矩，在外加偏置磁场的作用下运动并由此产生铁磁谐振，谐振频率为f（MHz）=0.0112H₀（A/m），其中H₀为外置直流磁场强度。谐振频率f与YIG小球的尺寸无关，仅随H₀的大小作线性变化。这种方式的无载Q值可达10⁴量级，损耗低且稳定性好。

YIG扫频常用于产生吉赫（GHz）以上频段的信号，利用下变频可以实现宽带扫频。由于这种扫频方式可覆盖高达10倍频程的频率范围、扫频线性好，因而得到了广泛的应用。缺点在于建立外加偏置磁场的速度不能过快，否则会引起H₀的滞后进而影响扫频线性。

4）合成扫频源。同时具有扫频源和合成源特性的信号源被称为“合成扫频源”。通常有两种实现方式：直接合成方式，如直接数字合成（Direct Digital Synthesis，DDS）；间接合成方式，如利用锁相环（Phase Locked Loop，PLL）。

合成扫频源通过软件使源按照一定的频率间隔和停留时间，将输出频率依次锁定在一定范围内的一系列频点上，达到扫频效果。与变容管、YIG等模拟扫频方式相比，合成扫频的输出频率准确，但它实际上是一种自动跳频的连续波工作方式，频率不是完全连续变化的，而且各频点之间必须保证留有足够的频率预置及捕获时间。只不过合成扫频源的频率步进可以做得非常小甚至远小于整机的频率输出分辨率，所以从宏观上看，这种扫频源的频率是连续变化的。关于合成扫频信号源的原理将在本章的合成信号源一节中介绍。

3.宽频段扫频方法

由前述内容可知，变容管扫频方式至多可覆盖一个倍频程，YIG扫频范围多在GHz以上，而要用单个电调振荡器实现多个倍频程的覆盖是非常困难的，且不同倍频程之间难以连贯使用。为了解决这一问题，通常采用外差式差频扫频、全基波多频段联合式扫频、倍频式扫频等方法。

（1）差频式宽频段扫频

外差式混频扫频即图9-15中包含虚线框时的结构。为进一步说明宽频段扫频的实现，我们来考察如图9-17所示差频式宽带扫频源框图：将一个固定频率的振荡器与一个作为本振信号的扫频振荡源同时加到混频器上并取差频，如果定频振荡器输出为2GHz，扫频振荡源的范围为2.1～4GHz，则混频后的差频便可从100MHz连续扫变到2GHz。

图9-17 差频式宽带扫频的实现方案

根据混频原理，只要令定频振荡器的输出电平远小于扫频本振的电平，则差频信号的幅度便由定频振荡器的幅度决定，于是扫频过程中差频幅度可基本保持不变。使两个参加混频的信号幅度相差极大的另一个好处是，混频输出的各种由交调产生的杂散信号较小。如果在定频振荡器之后加上稳幅电路（如PIN调制器），输出的扫频信号性能更佳。

（2）全基波多频段联合式扫频

将几个频段相互衔接的单频段基波扫频振荡器组件封装起来，用逻辑电路控制微波开关，就能任意选用某个频段的振荡器输出，同时也能够使几个振荡器依次产生连续的输出频率，由此实现宽频带扫频。

在图9-18所示的宽频带扫频方案中，多个输出频率互相衔接的YIG调谐基波扫频源结合在一起。其中一个频段的扫频信号用定向耦合器分出一部分，并通过低通滤波器与另一个固定本振信号进行混频，取差频得到最低频段的扫频输出。上述多频段扫频信号由控制信号通过PIN开关进行选择、组合，按需提供单频段或多频段联合的扫频输出。图中的另两个定向耦合器分别与两个检波器组合起来，实现对高、低频段稳幅信号的取样。

图9-18 全基波多频段联合式宽带扫频

（3）多倍频程宽带扫频

获得多频段扫频输出的另一种方法是以较宽频带的基波扫频振荡器为基础，除了可以直接输出这个低频段信号外，还可以将它加到可选倍率n的倍频器，以产生若干个较高频段。基波回路与倍频器是同时调谐的。这种倍频式（谐波式）宽带扫频源比全基波式构造简单，但在高频段输出时可能夹杂来自低频段的部分谐波频率寄生信号；另外，倍频之后的信号寄生调频及噪声也随之倍增。