用于EMC测试的信号发生器设计要点

摘要

罗德与施瓦茨公司新推出R&S SMA100B射频及微波信号发生器，其具有在高功率输出状态下极低的谐波，极低的相噪，以及更准确的脉冲信号输出功率，这些技术特点能够提高电磁兼容测试准确度，以及在其他一些行业应用中提升测试质量。

关键字

射频及微波信号发生器；谐波抑制；自动功率控制；相位噪声；输出功率

引言

信号发生器是电磁兼容测试的重要设备之一，典型应用是产生标准信号校准接收链路以及在EMS测试中产生连续波和脉冲信号作为干扰源。EMS的测试方法向模拟真实电磁环境方向不断演进，调幅、调频等信号形式现在也被考虑进来。

电磁兼容测试关注功率测试精度，这就要求信号发生器无论在连续波状态还是脉冲状态，高功率还是低功率输出下，都能输出精准、纯净的射频信号。IEC 61000与CISPR 16等系列标准中对信号源的谐波抑制、输出功率（特别是在脉冲调制状态下）都有相应的要求。

1. 信号源的谐波抑制

EMS测试时需要信号源输出比较高的功率，用以驱动功率放大器（以下简称“功放”）。信号源在高功率输出状态下相应的谐波与非谐波功率也较高。信号源的谐波和非倍频程位置的谐波杂散（非谐波）等非线性成分对电磁兼容测试很不利。由于EMI接收机采用扫描测试机理，信号源的谐波被接收机接收会产生干扰项；当谐波功率过高时，还有可能推高宽带功放或宽带接收机，使其过饱和。

对此，IEC 61000-4-3对信号源的谐波抑制有明确的要求。标准规定经过功放输出后信号的谐波抑制必须大于15dBc，考虑到功放自身的非线性效应，信号源的谐波抑制要远远优于15 dBc[1]。IEC 61000-4-3建议在信号源后端加入谐波滤波器以抑制谐波功率。加入/未加谐波滤波器的信号源谐波抑制见图1。然而，谐波滤波器为了适应EMC测试的频率范围，必然会采用大量的滤波器来滤除不同频段的谐波，以保证频谱的纯度。同时，还要采用大量的开关，以保证不同滤波器之前的切换。滤波器和开关都会带来额外的插入损耗，插入损耗会随着频率的增加逐渐变大。这将增加系统的成本和测试的不确定性。

内置谐波滤波器可以解决上述问题，并且可在所有输出电平状态下实现–65 dBc（典型值）的谐波抑制，同时还能抑制宽带噪声。将高输出功率、低谐波和极低的宽带噪声相结合，可有效简化测试连接，减少测试附件数量。

 图1 配置/未配置谐波滤波器的信号源谐波抑制

图2 实际测试SMA100B输出的非谐波抑制

2. 保持准确的输出电平

EMS测试中需要使用脉冲调制信号。严格控制RF脉冲输出功率至关重要，CISPR 16-1-1中规定信号输出脉冲调制信号功率误差不应超过±0.5 dB[2]。

信号源控制输出功率准确性的关键技术是自动功率控制（ALC）。ALC是一种闭环功率控制电路，信号源内部将输出的部分信号耦合、实时采集并监测功率，当检测到功率出现波动时立即控制放大器，通过闭环控制实现稳定准确的功率输出。电路原理图见图3。

图3 典型的ALC电路原理图

ALC的处理响应时间至少为信号接收测量时间长度Ty-min 。脉冲信号在每个周期内信号打开时间 非常短，传统信号源设计的ALC最小采集时间普遍大于脉冲信号打开时间：

因此传统信号源的ALC不适用于脉冲信号。当产生脉冲信号时，传统信号源的ALC一般采用“Sample&Hold”处理方式，既命令信号源首先产生一段时间连续波信号，ALC采样记录其功率偏差值，这是“Sample”过程；然后ALC释放控制，信号源正常输出脉冲信号，在整个脉冲输出时间内，ALC将根据上一步保存的功率偏差值对信号源放大器进行恒定的功率修正，即“Hold”过程。放大器在输出连续波时的增益Gcw与脉冲输出状态Gpulse一般不相同，即：

因此ALC的“Sample&Hold”处理误差极大，实测某信号源输出脉冲信号的真实功率与设置功率误差达超过1dB，见图4。

 图4 实测某型号信号源的ALC—“Sample&Hold”模式输出脉冲功率误差

为了提供准确的脉冲输出功率，R&S SMA100B重新设计了其脉冲调制器和ALC电路，使其脉冲调制器的上升/下降时间为 5 ns（典型值）且开关比 > 80 dB。可在低至数纳秒的时间范围内提供具有高电平精确度以及电平可重复性的量化短脉冲，见图5。 

图5 SMA100B输出脉冲信号功率误差不超过0.3 dB[3]

3. 更高的输出功率

EMC测试同样要求信号源具有较高高输出功率。例如在EMS测试时，信号源输出信号要弥补长距离传输电缆带来的损耗给功放提供足够高的驱动。在高频频段（例如：Ka）电缆损耗会急剧升高，这就要求信号源要输出足够的驱动功率。三级输出功率选件适用于关注成本且要求严苛的应用。高输出功率选项+35 dBm可通过选件密钥激活，甚至可以客户现场激活。而工厂安装的超高输出功率选件则可提供最高达 +38 dBm（针对6 GHz 的型号）的功率电平。

 图6 测量到的R&S SMA100B最大可输出功率

当信号源实际输出功率超过27dBm以后，在使用时就需要注意安全问题，因为绝大多数接收机、频谱仪的安全接收功率上限是27dBm或30dbm。

4. 提高信号源使用可靠性

EMC测试包含了一系列大测试量的测试项目，期间要大量重复设置操作测试设备，这就要求测试设备具有高使用可靠性。例如EMS测试需要在大量测试频点控制信号源产生不同功率的信号，要不断重复切换信号源的衰减器。对于最高6 GHz的信号发生器，早在十多年前就开始配置电子固态步进衰减器，电子衰减器在电平切换过程中没有硬件失效，操作寿命远大于机械衰减器，但是在高于6 GHz的信号源中还广泛使用机械衰减器。R&S SMA100B现将电子衰减器带入高频微波信号发生器领域，在所有频率范围（目前最高20 GHz）标配了电子固态开关，以实现非常快速且无失效的电平转换。

参考文献

1.IEC61000-4-3 2002 Testing and measurement techniques Radiated, radio-frequency, electromagnetic fieldimmunity test

2.CISPR16-1-1 Edition 3.0201001Radio disturbance and immunity measuring apparatus – Measuring apparatus

3.Generating narrow pulses with highest level accuracy and repeatability with the R&S®SMA100B5215-2650-92v0100

注：文章发表于《安全与电磁兼容》2017年第4期