DE60203111T2

DE60203111T2 - Hochfrequenzkämme für die abstimmungsdriftreduzierende schleife verwendender, rauscharmer mikrowellensynthesizer

Info

Publication number: DE60203111T2
Application number: DE60203111T
Authority: DE
Inventors: M. Bernard CUDDY
Original assignee: Teradyne Inc
Current assignee: Teradyne Inc
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2002-05-15
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2022-05-16
Also published as: CN1298111C; DE60203111D1; EP1395841A2; KR20030048008A; MY131178A; EP1395841B1; TW543299B; KR100880149B1; US6570458B2; JP2004522357A; WO2002101403A3; CN1463365A; JP4129228B2; WO2002101403A2; US20020196088A1; ATE290220T1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Prüfautomaten für Elektronik (ATE) und insbesondere die Synthese von geräuscharmen Hochfrequenzwellenformen zum Prüfen von Mikrowellen- und RF-Schaltkomplexen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Signifikante Verbesserungen der Genauigkeit von Hochfrequenzgeräten, die in Konsumgütern wie Zellulartelefonen, Funkrufgeräten und drahtlosen Personal Data Assistants (PDAs) verwendet werden, brachten Bedarf an genaueren Prüfungen dieser Geräte hervor. ATE-Systeme beinhalten im Allgemeinen einen oder mehrere Mikrowellen-Synthesizer zum Prüfen von Mikrowellengeräten. In einem typischen Prüfszenario legt ein Mikrowellen-Synthesizer in dem Prüfgerät ein Signal direkt an den Prüfling (DUT) an. Der DUT erzeugt eine Antwort, die das Prüfgerät misst und testet. In einem anderen Prüfszenario empfängt ein Prüfgerät ein Mikrowellensignal (z.B. 900 MHz) von einem Prüfling (DUT). Das Prüfgerät mischt dieses Signal mit dem Ausgang von einem seiner Mikrowellen-Synthesizer, um ein Zwischenfrequenzsignal (z.B. 10 MHz) zu erzeugen. Das Prüfgerät tastet dann das Zwischenfrequenzsignal ab, um seine Kenndaten zu ermitteln. Wenn die Kenndaten innerhalb vorbestimmter Grenzen liegen, dann ist der Test erfolgreich, ansonsten ist er erfolglos.
Eine übliche Prüftechnik besteht darin, ein Leistungsspektrum des von dem Prüfling abgeleiteten Zwischenfrequenzsignals zu errechnen. Ein Leistungsspektrum gibt bedeutende Informationen über den DUT sowie über Phasenrauschen. Um das Phasenrauschen des Prüflings genau zu prüfen, ist es wesentlich, dass das Phasenrauschen des Synthesizers im Vergleich zu dem des Prüflings klein ist. Wenn das Phasenrauschen des Synthesizers im Vergleich zu dem des Prüflings groß ist, dann geht das Phasenrauschen des DUT im Phasenrauschen des Synthesizers verloren, und es wird unmöglich zu ermitteln, ob der DUT seine Phasenrauschspezifikation erfüllt oder nicht. Da Geräte ständig verbessert werden, so dass sie immer weniger Phasenrauschen erzeugen, müssen auch Mikrowellen-Synthesizer entsprechend verbessert werden, wenn die Prüfung genau bleiben soll.
Das Dokument US3049674 beschreibt einen Frequenz-Synthesizer, der wenigstens eine Frequenzdrift-gelöschte Schleife verwendet.
1 illustriert einen herkömmlichen Mikrowellen-Synthesizer 100, der wie folgt arbeitet. Ein Schmalbandsynthesizer 112 erzeugt ein Ausgangssignal, das über einen relativ engen Bereich, z.B. einen Bereich von 200 MHz zwischen 800 MHz und 1 GHz, variiert werden kann. Gleichzeitig erzeugt ein Breitbandsynthesizer 122 ein Ausgangssignal, das über einen relativ breiten Frequenzbereich, z.B. einen 2-GHz-Bereich zwischen 4,4 GHz und 6,2 GHz, variiert werden kann. Gleichzeitig erzeugt ein Kammgenerator 116 eine Reihe von harmonisch beabstandeten Tönen oder „Kämmen", z.B. mit einem Tonabstand von 200 MHz. Der Ausgang des Schmalbandsynthesizers 112, des Breitbandsynthesizers 114 und des Kammgenerators 116 werden jeweils in einen Schmalbandeingang 152, einen Breitbandeingang 154 und einen Kammeingang 156 einer Driftlöschschleife 150 gespeist.
In der Driftlöschschleife 150 unterteilt ein Leistungsteiler 130 den Ausgang des Breitbandsynthesizers 122 in einen ersten und einen zweiten Schaltungspfad. Verstärker 132 und 134 verstärken die Signalpegel entlang den jeweiligen Pfaden. Ein erster Mischer 138 kombiniert den Ausgang des Verstärkers 132 mit dem Ausgang des Kammgenerators 116, um ein anderes Paar von Summen- und Differenztönen für jeden von dem Kammgenerator 116 erzeugten Ton zu erzeugen. Indem die Frequenz des Breitbandsynthesizers 122 geeignet abgestimmt wird, kann einer der Summen- oder Differenztöne von dem Mischer 138 gleich einer Zielfrequenz F_K gemacht werden. Für den normalen Betrieb werden die Eingänge der Driftlöschschleife 150 immer so eingestellt, dass ein Ton am Ausgang des Mischers 138 entsteht, der gleich F_K ist.
Ein erstes Bandpassfilter 142 filtert den Ausgang des Mischers 138. Das erste Bandpassfilter 142 hat eine Mittenfrequenz bei F_K und eine geringe Bandbreite, um nur das Mischprodukt bei F_K durchzulassen und alle anderen Frequenzkomponenten im Wesentlichen zu sperren. Der Ausgang des ersten Bandpassfilters 142 wird zu einem zweiten Mischer 146 durchgelassen, der den Ausgang des ersten Bandpassfilters 142 mit dem Ausgang des Schmalbandsynthesizers 112 kombiniert, so dass ein weiteres Paar Summen- und Differenztöne entsteht. Diese Summen- und Differenztöne werden zu einem zweiten Bandpassfilter 144 durchgelassen, das den Summenton im Allgemein sperrt und den Differenzton zu seinem Ausgang durchlässt.
Der durchgelassene Ton wird zu einem dritten Mischer 140 geleitet. Der dritte Mischer 140 kombiniert den durchgelassenen Ton mit dem Ausgang des Verstärkers 134, um noch ein weiteres Paar Summen- und Differenztöne zu erzeugen. Ein Tiefpassfilter 148 sperrt den Summenton und lässt den Differenzton zum Ausgang des Synthesizers 100 durch. Der Ausgang kann mit zusätzlichen Stufen (nicht dargestellt) gekoppelt werden, um die Frequenz selektiv zu vervielfachen und die Amplitude des Ausgangssignals zu justieren.
Die Ausgangsfrequenz des Synthesizers 100 kann auf zwei Weisen justiert werden. Zunächst kann der Breitbandsynthesizer 122 so justiert werden, dass die Gesamtausgangsfrequenz in großen Inkrementen variiert wird. Zweitens kann der Schmalbandsynthesizer 112 so justiert werden, dass die Gesamtausgangsfrequenz in kleinen Inkrementen variiert wird. Der Schmalbandsynthesizer 122 arbeitet im Allgemeinen über eine direkte digitale Synthese (DDS), um einen nahezu kontinuierlichen Bereich von Ausgangsfrequenzen zu erzeugen. Der Frequenzbereich des Schmalbandsynthesizers 112 ist vorzugsweise gleich oder größer als der Abstand von vom Kammgenerator 116 erzeugten aufeinander folgenden Kämmen, damit der Schmalbandsynthesizer zwischen benachbarten Kämmen völlig abstimmen kann. Bei dieser Anordnung bewirkt der Breitbandsynthesizer 122 grobe Frequenzänderungen, während der Schmalbandsynthesizer 122 feine Frequenzänderungen bewirkt. Die Kombination lässt es zu, dass die Frequenz des Synthesizers 100 über einen breiten Bereich mit hoher Präzision eingestellt wird.
Der Breitbandsynthesizer 122 neigt bekanntlich dazu, signifikantes Phasenrauschen zu erzeugen. Dieses Phasenrauschen wird jedoch durch die Wirkung der Driftlöschschleife 150 stark reduziert. Aufgrund der Summier- und Differenzierwirkungen der Mischer 138, 140 und 146 wird veranlasst, dass die Frequenz des Breitbandsynthesizers 122 vom Ausgang des Synthesizers 100 gelöscht wird. Zusammen mit der Frequenz des Breitbandsynthesizers 122 wird auch ein großer Teil seines Phasenrauschens gelöscht.
In komplexer ausgearbeiteten Implementationen wird eine Verzögerungsschaltung 136 zwischen den zweiten Verstärker 134 und den dritten Mischer 140 geschaltet. Die Verzögerungsschaltung 136 bewirkt, dass die Eingänge des dritten Mischers 140 Signale übertragen, die den Ausgang des Breitbandsynthesizers 122 zu entsprechenden Zeitpunkten repräsentieren. Indem das entlang dem zweiten Schaltungspfad übertragene Signal so verzögert wird, dass es mit der Verzögerung übereinstimmt, die durch das Signal entlang dem ersten Schaltungspfad auftritt, wird ein großer Teil des Phasenrauschens dadurch gelöscht, dass entsprechende Phasenstörungen erzeugt werden, die beiden Eingängen des Mischers 140 gemeinsam sind. Da das Tiefpassfilter 148 nur die Differenz von vom Mischer 140 erzeugten Eingangsfrequenzen durchlässt, wird Rauschen, das beiden Eingängen des Mischers 140 gemeinsam ist, gelöscht.
Selbst mit der Addition der Verzögerungsschaltung 136 sperrt der Synthesizer 100 einen Teil des Phasenrauschens des Breitbandsynthesizers 122 immer noch nicht. Niederfrequentes oder nahes („close-in") Phasenrauschen (weniger als 1 MHz Versatz) des Breitbandsynthesizers wird weitgehend gelöscht, während hochfrequentes, fernes („far-out") Phasenrauschen (über 1 MHz Versatz) im Allgemeinen nicht gelöscht wird. In Implementationen, die das Phasenrauschen des Schmalbandsynthesizers 112 und des Kammgenerators 116 eng regulieren, neigt das gesamte ferne Phasenrauschen des Mikrowellen-Synthesizers 100 dazu, vom unreduzierten fernen Phasenrauschen des Breitbandsynthesizers 122 dominiert zu werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf den obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, das ferne Phasenrauschen von Signalen zu reduzieren, die von Mikrowellen-Synthesizern in Prüfautomaten erzeugt werden.
Die obige Aufgabe sowie weitere Aufgaben und Vorteile werden gemäß den Ansprüchen 1, 10, 14 und 17 gelöst. Ein Mikrowellen-Synthesizer gemäß der Erfindung beinhaltet eine Driftlöschschleife mit einem Schmalbandeingang, einem Niederfrequenz-Kammeingang, einem Breitbandeingang und einem Ausgang zum Erzeugen eines frequenzjustierbaren Ausgangssignals. Ein Schmalbandsynthesizer ist mit dem Schmalbandeingang gekoppelt, und ein Kammgenerator ist mit dem Niederfrequenz-Kammeingang gekoppelt. Anstatt einen Breitbandsynthesizer zum Ansteuern des Breitbandeingangs zu verwenden, wie dies bei herkömmlichen Topologien der Fall ist, wird in der vorliegenden Erfindung ein geräuscharmer Hochfrequenzoszillator eingesetzt. Der Ausgang des Oszillators wird mit dem Ausgang des Kammgenerators gemischt, um geräuscharme Hochfrequenzkämme zu erzeugen. Die geräuscharmen Hochfrequenzkämme werden dann zum Ansteuern des Breitbandeingangs der Driftlöschschleife verwendet. Durch Austauschen des Breitbandsynthesizers gegen Hochfrequenzkämme kann das ferne Phasenrauschen des Synthesizers im Vergleich zu herkömmlichen Designs erheblich reduziert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung gehen aus einem Studium der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnungen hervor. Dabei zeigt:
1 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines herkömmlichen Mikrowellen-Synthesizers, der eine Driftlöschschleife verwendet;
2 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Mikrowellen-Synthesizers gemäß der Erfindung;
3 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Kammgenerators, der in Verbindung mit dem Synthesizer von 2 verwendet wird;
4 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Filterbank zum Auswählen aus den Niederfrequenzkämmen im Synthesizer von 2; und
5 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Filterbank zum Auswählen aus den Hochfrequenzkämmen im Synthesizer von 2.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNG
TOPOLOGIE UND BETRIEB
2 illustriert eine Ausgestaltung eines Mikrowellen-Synthesizers 200 gemäß der Erfindung. Der Mikrowellen-Synthesizer 200 ist dem Mikrowellen-Synthesizer 100 von 1 in vielerlei Hinsicht ähnlich. Zum Beispiel beinhaltet der Mikrowellen-Synthesizer 200 eine Driftlöschschleife 250, einen Schmalband-Synthesizer 212, einen Kammgenerator 216 und ein Tiefpassfilter 248, die jeweils zu den Strukturen 150, 112, 116 und 148 von 1 analog sind. Darüber hinaus hat die Driftlöschschleife 250 einen Schmalbandeingang 252, einen Breitbandeingang 254 und einen Kammeingang 256, die jeweils Eingängen 152, 154 und 156 der Driftlöschschleife 150 von 1 entsprechen.
Trotz dieser Ähnlichkeiten unterscheidet sich der Mikrowellen-Synthesizer 200 in signifikanten Aspekten vom Synthesizer 100. Dies ist insbesondere in Bezug auf den Schaltkomplex zum Ansteuern des Breitbandeingangs 254 der Fall. Wie oben beschrieben, haben herkömmliche Driftlöschschleifen einen Breitbandsynthesizer, der aus einem Phasenregelkreis besteht, um den Breitbandeingang der Driftlöschschleife anzusteuern. Der Phasenregelkreis beinhaltet im Allgemeinen einen VCO oder YIG-(Yttrium-Eisen-Granat)Oszillator. In der Ausgestaltung von 2 wird der Breitbandeingang 254 der Driftlöschschleife jedoch von einem Mischprodukt aus Kammgenerator 216 und Oszillator 222 angesteuert.
Der Oszillator 222 erzeugt einen geräuscharmen Hochfrequenzton bei F_O. Ein Mischer 226 kombiniert diesen geräuscharmen Ton mit einem der Kämme F_SC vom Kammgenerator 216 (über eine erste Filterbank 218 und einen Leistungsteiler 220), um ein Paar Summen- und Differenztöne bei F_O ± F_SC zu erzeugen.
Eine zweite Filterbank 228 wählt einen dieser Töne, d.h. (F_O + F_SC) oder (F_O – F_SC) aus, um ihn zum Breitbandeingang 254 der Driftlöschschleife 250 zu leiten. Im Gegensatz zum herkömmlichen Design von 1 beinhaltet der Synthesizer 200 vorzugsweise eine erste Filterbank 218 zum Wählen eines gewünschten Kamms von dem Kammgenerator 216 und zum Sperren aller anderen Kämme. Die erste Filterbank 218 trägt dazu bei zu verhindern, dass unerwünschte Störsignale in die Driftlöschschleife 250 gelangen, und reduziert somit das Gesamtrauschen.
Immer wenn die erste Filterbank 218 einen anderen Niederfrequenzkamm wählt, wird ein anderes Summen- und Differenzpaar von Frequenzen an die zweite Filterbank 228 angelegt. In der bevorzugten Ausgestaltung erzeugt der geräuscharme Oszillator 222 einen einzelnen Ton F_O bei 5,2 GHz, und der Kammgenerator 216 erzeugt Kämme bei 200 MHz, 400 MHz, 600 MHz, 800 MHz und 1 GHz. In Anbetracht dieser Eingänge kann eine der folgenden Frequenzen an den Breitbandeingang 254 der Driftlöschschleife 250 angelegt werden:

• 4,2 GHz, 4,4 GHz, 4,6 GHz, 4,8 GHz und 5,0 GHz (über Frequenzsubtraktion);
• 5,2 GHz (über Direktverbindung, die den Mischer 226 vermeidet); und
• 5,4 GHz, 5,6 GHz, 5,8 GHz, 6,0 GHz und 6,2 GHz (über Frequenzaddition).

Durch geeignetes Wählen von Niederfrequenzkämmen (LFCs) und Hochfrequenzkämmen (HFCs) kann der Mikrowellen-Synthesizer 200 eine Reihe verschiedener Frequenzbereiche annehmen. Durch Einstellen der Frequenz des Schmalband-Synthesizers 212 kann bewirkt werden, dass sich diese unterschiedlichen Bereiche kontinuierlich mischen.
Wenn der Schmalband-Synthesizer 212 Ausgangsfrequenzen im Bereich von 800 MHz bis 1 GHz erzeugt, kann der Mikrowellen-Synthesizer 200 Frequenzen erzeugen, die ständig im Bereich von DC bis 2 GHz liegen. Aus praktischen Gründen wird eine Frequenzuntergrenze bei 10 MHz festgelegt. Tabelle 1 unten fasst die Art und Weise zusammen, in der der Mikrowellen-Synthesizer 200 Tief- und Hochfrequenzkämme zum Erzeugen von unterschiedlichen Frequenzbereichen wählt:
TABELLE 1
Um zu verstehen, wie diese Bereiche erzeugt werden, ist zu bemerken, dass die Ausgangsfrequenz des Synthesizers 200 die folgende Gleichung erfüllt: FOUT = HFC – 5,2 GHz – NBS,wobei HFC die Frequenz des gewählten Hochfrequenzkamms und NBS die Frequenz des Schmalband-Synthesizers 212 ist.
Um einen 5,2 GHz Ton am Breitbandeingang 254 anzulegen, wird ein Schalter 224 aktiviert, um den Mischer 226 zu umgehen und den 5,2 GHz Ausgang des Oszillators 222 direkt zur zweiten Filterbank 228 zu senden. Die Filterbank 228 leitet diesen Ausgang direkt zum Breitbandeingang 254 (siehe 5). Wenn die zweite Filterbank 228 den 5,2 GHz Ton für die Passage zum Breitbandeingang 254 wählt, dann aktiviert die Driftlöschschleife 250 einen anderen Schalter 258, um den ersten Mischer 238 zu umgehen und das 5,2 GHz Signal direkt zum ersten Bandpassfilter 242 zu senden. Unter diesen Umständen wird kein Mischen zum Erzeugen von F_K benötigt, weil das Signal am Breitbandeingang 254 bereits gleich F_K ist.
In der bevorzugten Ausgestaltung ist der Oszillator 222 ein dielektrischer Resonanzoszillator (DRO) wie z.B. das Modell P2579 von der General Microwave Corporation aus Farmingdale in NY. Er erzeugt eine feste Frequenz von 5,2 GHz und ist über einen engen Bereich abstimmbar, so dass er mit anderen Systemkomponenten synchronisiert werden kann. In der bevorzugten Ausgestaltung wird der DRO 222 mit einem 100 MHz thermogeregelten Kristalloszillator (OCXO) 214 wie dem PTI X05051-001 von Piezo Technology Inc. aus Orlando in FL synchronisiert. Der OCXO 214 wird wiederum mit der Systemreferenz 210 synchronisiert. Die Synchronisation erfolgt vorzugsweise mit äußerst schmalbandigen Phasenregelkreisen mit Frequenzteilern in ihrem Feedback, um eine Regelkreis-Frequenzmultiplikation zu erzeugen.
Durch Ersetzen des Breitbandsynthesizers 122 mit geräuscharmen Hochfrequenzkämmen wird ein fernes Phasenrauschen des Mikrowellen-Synthesizers 200 erheblich reduziert. Dabei ist jedoch dafür Sorge zu tragen, dass das geringe Rauschen über den gesamten Synthesizer 200 erhalten bleibt, damit die Vorzüge des geräuscharmen Designs im vollen Umfang erhalten werden.
3 zeigt ein ausführliches Blockdiagramm des Kammgenerators 216 von 2. Der Kammgenerator 216 empfängt den ultrageräuscharmen Ausgang des OCXO 214. Ein Frequenzvervielfacher 312 vervielfacht das 100 MHz Signal vom OCXO zum Erzeugen einer 200-MHz-Referenz. Ein Verstärker 314 verstärkt die 200-MHz-Referenz und ein Bandpassfilter 316 filtert das verstärkte Signal. Ein weiterer Verstärker 318 verstärkt den Ausgang des Bandpassfilters 316. Das Bandpassfilter 316 ist vorzugsweise ein Schmalbandkristallfilter zum Eliminieren von Rauschen jenseits des 10-KHz-Versatzes. Ein geeignetes Schmalbandkristallfilter ist von Piezo Technology, Inc. erhältlich. Ein Kammgeneratorgerät 320 ist mit dem Ausgang des Bandpassfilters 316 gekoppelt und erzeugt Kämme in 200-MHz-Intervallen. Ein geeigneter Kammgenerator 320 ist der GG 7014039 von der Microsemi Corporation aus Irvine in CA. Ein Hochpassfilter 322 wird auf den Ausgang des Kammgenerators 320 angewendet, um die Amplituden der verschiedenen Kämme abgleichen zu helfen, und ein Tiefpassfilter 324 wird auf den Ausgang des Kammgenerators 320 angewendet, um Filterkämme oberhalb von 1 GHz auszufiltern.
4 zeigt ein ausführliches Blockdiagramm der Filterbank 218 von 2. Die Filterbank 418 beinhaltet vorzugsweise einen Verstärker 410, der die vom Kammgenerator 216 empfangenen Kämme verstärkt. Die Filterbank beinhaltet fünf Bandpassfilter 420, 422, 424, 426 und 428. Die Bandpassfilter 420, 422, 424, 426 und 428 haben Mittenfrequenzen, die unterschiedlichen Kämmen entsprechen, die vom Kammgenerator 216 erzeugt werden. Die Filterbank 218 wählt einen gewünschten Kamm vom Kammgenerator 216 durch Konfigurieren von einpoligen Umschaltern (SPDT) 412, 414, 416 und 418. Die verstärkten Kämme werden vom Verstärker 410 zu dem Bandpassfilter mit der Mittenfrequenz übertragen, die dem gewünschten Kamm entspricht. So schließen beispielsweise zum Wählen des 600-MHz-Kamms die SPDT-Schalter 416 und 418 auf eine solche Weise, dass der Ausgang des Verstärkers 410 mit dem Eingang des Bandpassfilters 424 verbunden wird. Das gewählte Bandpassfilter lässt den gewünschten Kamm durch und sperrt im Wesentlichen alle anderen Kämme. Auf der Ausgangsseite der Bandpassfilter verbinden die SPDT-Schalter 432, 434, 436 und 438 das gewählte Bandpassfilter mit einem Verstärker 440. Der Verstärker 440 verstärkt den gewählten Kamm und lässt den gewählten Kamm zum Ausgang der Filterbank 218 durch.
5 zeigt ein ausführliches Blockdiagramm der Filterbank 228 von 2. Im Gegensatz zur Filterbank 218, die aus Niederfrequenzkämmen auswählt (d.h. 200 MHz bis 1 GHz in Inkrementen von 200 MHz), wählt die Filterbank 228 aus Mischprodukten des gewählten Niederfrequenzkamms und dem Oszillator 222 aus. Diese Mischprodukte sind frequenzmäßig weiter voneinander beabstandet als die Hochfrequenzkämme. Wenn beispielsweise der 1-GHz-Niederfrequenzkamm mit dem 5,2 GHz Oszillator gemischt wird, dann haben die nächstliegenden Mischprodukte einen Abstand von 2 GHz. Im Vergleich dazu sind benachbarte Niederfrequenzkämme nur 200 MHz voneinander entfernt. Daher brauchen nicht für jeden Hochfrequenzkamm andere Bandpassfilter bereitgestellt werden, um die nötige Filterung durchzuführen. Zu diesem Zweck beinhaltet die Filterbank 228 vier Bandpassfilter 514, 516, 518 und 520. Bandpassfilter werden auf der Basis des gewünschten Hochfrequenzkamms gemäß der nachfolgenden Tabelle 2 ausgewählt:
TABELLE 2
VORTEILE
Durch Ansteuern des Breitbandeingangs einer Driftlöschschleife mit einem Mischprodukt der Niederfrequenzkämme und einem stabilen Oszillator kann der resultierende Mikrowellen-Synthesizer äußerst geringes Phasenrauschen erzeugen. Der Synthesizer behält das niedrige Phasenrauschen selbst bei hohen Frequenzversätzen von der Trägerfrequenz bei, wo Driftlöschschleifen zum Reduzieren von Phasenrauschen nicht mehr nützlich sind.
Vorläufige Messungen eines Prototyps des Mikrowellen-Synthesizers 200 zeigen, dass ein Gesamtphasenrauschen nicht von dem am Breitbandeingang des Synthesizers anliegenden Signal dominiert wird, wie in herkömmlichen Designs, sondern von dem Signal am Schmalbandeingang. Experimente mit dem Ansteuern des Schmalbandeingangs mit einem DDS mit –155 dBc/Hz Phasenrauschen bei 10 MHz Versatz brachten ein Gesamtphasenrauschen von nur –153 dBc/Hz für den gesamten Synthesizer zutage. Im Vergleich dazu erzeugen Designs, die herkömmliche spannungsgesteuerte oder YIG-Oszillatoren zum Ansteuern des Breitbandeingangs verwenden, etwa –140 bis –143 dBc/Hz Phasenrauschen, wenigstens 10 dBc/Hz mehr Phasenrauschen als beim vorliegenden Design.
Der Mikrowellen-Synthesizer gemäß der Erfindung hat auch eine schnellere Einschwingzeit als herkömmliche Synthesizer. YIG-Oszillatoren haben Ansprechzeiten in der Größenordnung von Dutzenden von Millisekunden. Spannungsgesteuerte oder YIG-Oszillatoren, die innerhalb der Phasenregelkreise konfiguriert sind, haben Stabilitätsanforderungen, die auf Kosten der Geschwindigkeit gedeckt zu werden neigen. Im Gegensatz dazu können Hochfrequenzkämme in weniger als 10 Mikrosekunden umgeschaltet werden, was drei Größenordnungen schneller ist als die Einschwingzeit von YIG-Oszillatoren. Der Mikrowellen-Synthesizer gemäß der Erfindung kann daher Frequenzen sehr schnell wechseln. So kann der Synthesizer mit Geräten Schritt halten, die mit Frequenzsprüngen arbeiten, wie z.B. denen, die für die Bluetooth-Spezifikation entwickelt wurden. Bluetooth-Geräte ändern ihre Betriebsfrequenz mit einer Höchstrate von einmal alle 625 Mikrosekunden. Der Mikrowellen-Synthesizer gemäß der Erfindung kann diese Geräte daher bei ihren Frequenzsprüngen testen, und dies mit äußerst niedrigem Phasenrauschen.
Allgemeiner ausgedrückt, kürzere Prüfzeiten für ein Gerät bedeuten unmittelbar reduzierte Herstellungskosten. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass es der Synthesizer gemäß der Erfindung durch Reduzieren der Umschaltzeit zulässt, dass Kunden Geräte zu geringeren Kosten erzeugen können.
IMPLEMENTATION
Der Mikrowellen-Synthesizer 200 hat vorzugsweise die Form eines Instruments, das in eine Rückwandplatine eines Prüfsystems eingesteckt wird. Das Prüfsystem beinhaltet einen Host-Computer, der über die Rückwandplatine kommuniziert und Prüfprogramme abarbeiten kann. Die Prüfprogramme beinhalten Befehle zum Steuern des Mikrowellen-Synthesizers 200, z.B. Programmieren seiner Frequenz, Programmieren seiner Amplitude, Kalibrieren und Ablesen des Status. Der Ausgang des Synthesizers wird mit einem Prüfling direkt, über geeignete Verkabelung und Verbinder, oder über eine Hochfrequenz-Schaltmatrix verbunden.
Um in dieser Umgebung zu arbeiten, beinhaltet der Mikrowellen-Synthesizer 200 vorzugsweise eine digitale Steuerschaltung (nicht dargestellt). Die digitale Steuerschaltung empfängt High-Level-Befehle von einem Prüfprogramm und setzt diese Befehle in elektronische Signale zum Steuern der Aktivitäten des Synthesizers 200 um. Die digitale Steuerschaltung überwacht auch Aktivitäten in dem Synthesizer 200 und sendet Rückmeldungen zum Prüfprogramm.
Der Mikrowellen-Synthesizer 200 beinhaltet vorzugsweise einen herkömmlichen Ausgangsschaltkomplex (nicht dargestellt). Dieser beinhaltet Frequenzvervielfacher, um von der digitalen Steuerschaltung gesteuert selektiv unterschiedliche Ausgangsfrequenzbereiche zu erzeugen. Er beinhaltet auch einen Schaltkomplex zum Einstellen der Amplituden von Wellenformen, die der Synthesizer 200 erzeugt.
ALTERNATIVEN
Nachdem eine Ausgestaltung beschrieben wurde, sind nun zahlreiche alternative Ausgestaltungen oder Variationen möglich. Wie oben beschrieben, ist der Oszillator 222 ein dielektrischer Resonanzoszillator (DRO) mit fester Frequenz. Es können jedoch auch andere Oszillatortypen zum Einsatz kommen. So kann z.B. ein Oszillator mit veränderlicher Frequenz verwendet werden, unter der Voraussetzung, dass er das niedrige Phasenrauschen über seinen Betriebsfrequenzbereich halten kann. Die oben beschriebene bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet einen thermogesteuerten Kristalloszillator (OCXO) 214 zum Erzeugen einer äußerst ruhigen Frequenzreferenz. Je nach den Phasenrauschanforderungen kann der OCXO 214 auch durch andere Oszillatortypen ersetzt werden.
Die Filterbank 218 ist zwar ein bevorzugter Teil des Mikrowellen-Synthesizers 200, ist aber nicht unbedingt notwendig und kann auch wegfallen. Wenn die Filterbank 218 wegfällt, dann bedeutet dies jedoch eine zusätzliche Belastung für die Filterbank 228 und das Bandpassfilter 242, um vom Kammgenerator 216 erzeugte unerwünschte Kämme zu sperren. Daher wird davon ausgegangen, dass ein Wegfallen der Filterbank kostspieligere Komponenten an anderer Stelle im System erfordert oder zu größeren Störsignalen führt.
Wie oben beschrieben, wird derselbe Kammgenerator 216 zum Erzeugen von Niederfrequenzkämmen und Hochfrequenzkämmen verwendet. Alternativ könnten verschiedene Kammgeneratoren zum Erzeugen der verschiedenen Kammsätze verwendet werden. So könnte beispielsweise der Ausgang eines zweiten Kammgenerators mit dem Ausgang des Oszillators gemischt werden, um Hochfrequenzkämme zu erzeugen.
Die bevorzugte Ausgestaltung wurde zwar oben mit Bezug auf spezifische Frequenzen und Bereiche beschrieben, aber das Design des Mikrowellen-Synthesizers 200 schließt keineswegs die Benutzung anderer Frequenzen oder Frequenzbereiche aus. So brauchen beispielsweise die Kämme nicht um 200 MHz beabstandet zu sein, und der Oszillator 222 braucht auch nicht mit 5,2 GHz zu arbeiten.
Die oben beschriebene Ausgestaltung des Synthesizers 200 hat die Form eines Instruments, das in ein Prüfgerät eingesteckt wird. Der Synthesizer 200 ist jedoch nicht auf diese Implementation begrenzt. Er könnte auch als Tischinstrument bereitgestellt werden, z.B. eines, das alleinstehend oder über einen IEEE-488 Bus programmierbar ist. Er könnte als modulares Instrument implementiert werden, das in eine standardmäßige Rückwandplatine wie z.B. eine VXI oder PXI Rückwandplatine installiert werden kann.
Es ist daher zu verstehen, dass die obige Beschreibung lediglich beispielhaft ist und dass die Erfindung nur durch den Umfang der beiliegenden Ansprüche begrenzt ist.

Claims

Mikrowellen-Synthesizer (200) zum Bereitstellen einer Anregung zum Testen einer Einrichtung (DUT), die sich unter einem Test befindet, umfassend: einen Schmalband-Synthesizer (212), der einen einstellbaren Frequenzausgang bereitstellt; einen Oszillator (222), der einen im Wesentlichen festen Frequenzausgang bereitstellt; einen Kammgenerator (216), der eine Sequenz von Tönen bereitstellt; einen ersten Mischer (226) mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang, und einem Ausgang, wobei der erste Eingang mit dem Ausgang des Kammgenerators gekoppelt ist und der zweite Eingang mit dem Ausgang des Oszillators gekoppelt ist; einen zweiten Mischer (238) mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang, und einem Ausgang, wobei der erste Eingang mit dem Ausgang des Kammgenerators gekoppelt ist und der zweite Eingang mit dem Ausgang des ersten Mischers gekoppelt ist; einen dritten Mischer (246) mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem Ausgang, wobei der erste Eingang mit dem Ausgang des zweiten Mischers gekoppelt ist und der zweite Eingang mit dem Ausgang des Schmalband-Synthesizers gekoppelt ist; einen vierten Mischer (240) mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem Ausgang, wobei ein erster Eingang mit dem Ausgang des dritten Mischers gekoppelt ist und ein zweiter Eingang mit dem Ausgang des ersten Mischers gekoppelt ist.
Mikrowellen-Synthesizer nach Anspruch 1, wobei der Oszillator einen dielektrischen Resonanzoszillator (222) umfasst.
Mikrowellen-Synthesizer nach Anspruch 1, ferner umfassend einen ersten Leistungsteiler (220) mit einem Eingang, der mit dem Ausgang des ersten Mischers gekoppelt ist, einem ersten Ausgang, der mit dem zweiten Eingang des zweiten Mischers gekoppelt ist, und einem zweiten Ausgang, der mit dem zweiten Eingang des vierten Mischers gekoppelt ist.
Mikrowellen-Synthesizer nach Anspruch 3, ferner umfassend eine Filterbank (228), die zwischen den Ausgang des ersten Mischers und den Eingang des ersten Leistungsteilers (230) in Reihe gekoppelt ist, wobei die Filterbank eine Vielzahl von wählbaren Bandpassfiltern (514–520) zum Senden eines gewünschten Mischprodukts des ersten Mischers und Dämpfen von unerwünschten Mischprodukten des ersten Mischers umfasst.
Mikrowellen-Synthesizer nach Anspruch 2, ferner umfassend einen Ofen-gesteuerten Kristalloszillator (214) OCXO zum Erzeugen einer Referenzfrequenz, wobei der Kammgenerator (216) und der Oszillator (222) konstruiert und angeordnet sind, um deren jeweilige Ausgangsfrequenzen in Synchronisation zu der Referenzfrequenz einzurichten.
Mikrowellen-Synthesizer nach Anspruch 5, wobei der Schmalband-Synthesizer (212) und der OCXO (214) konstruiert und angeordnet sind, um deren jeweilige Ausgangsfrequenzen in Synchronisation zu einer Testertaktreferenz einzurichten.
Mikrowellen-Synthesizer nach Anspruch 3, ferner umfassend einen zweiten Leistungsteiler (220) mit einem Eingang, der mit dem Ausgang des Kammgenerators gekoppelt ist, einem ersten Ausgang, der mit dem zweiten Eingang des ersten Mischers gekoppelt ist, und einem zweiten Ausgang, der mit dem zweiten Eingang des zweiten Mischers gekoppelt ist.
Mikrowellen-Synthesizer nach Anspruch 3, ferner umfassend: ein erstes Bandpassfilter (242), das zwischen den Ausgang des zweiten Mischers und den ersten Eingang des dritten Mischers in Reihe gekoppelt ist; ein zweites Bandpassfilter (244), das zwischen den Ausgang des dritten Mischers und den ersten Eingang des vierten Mischers in Reihe gekoppelt ist; und ein Tiefpassfilter (248), das mit dem Ausgang des vierten Mischers gekoppelt ist.
Mikrowellen-Synthesizer nach Anspruch 1, wobei der Kammgenerator einen Frequenzmultiplizierer (312), ein Kristallfilter (316), und einen Kammgenerator (320), gekoppelt sequenziell in Reihe, umfasst.
Mikrowellen-Synthesizer, umfassend: eine Drift-Löschungs-Schleife (250) mit einem Schmalband-Eingang, einem Niederfrequenz-Kammeingang, einem Breitband-Eingang, und einem Ausgang, der ein Ausgangssignal mit einstellbarer Frequenz erzeugt; einen Schmalband-Synthesizer (212) mit einem Ausgang, der mit dem Schmalband-Eingang gekoppelt ist; einen Kammgenerator (210), der mit dem Niederfrequenz-Kammeingang gekoppelt ist und eine Sequenz von Tönen bereitstellt; einen Oszillator (222), der einen im Wesentlichen festen Frequenzausgang erzeugt; und einen Mischer (226) mit einem ersten Eingang, der mit dem Oszillator gekoppelt ist, einem zweiten Eingang, der mit dem Kammgenerator gekoppelt ist, und einem Ausgang, der mit dem Breitband-Eingang der Drift-Löschungs-Schleife gekoppelt ist.
Mikrowellen-Synthesizer nach Anspruch 10, ferner umfassend einen Ofen-gesteuerten Kristalloszillator OCXO (214), der mit dem Kammgenerator und dem Oszillator (222) zum Synchronisieren des Kammgenerators und Oszillators zu dem OCXO gekoppelt ist.
Mikrowellen-Synthesizer nach Anspruch 11, wobei der OCXO mit einem Testerreferenztakt gekoppelt ist und in Synchronisation zu dem Testerreferenztakt oszilliert.
Mikrowellen-Synthesizer nach Anspruch 11, ferner umfassend: eine Filterbank (228), die zwischen dem Ausgang des Mischers und dem Breitband-Eingang der Drift-Löschungs-Schleife in Reihe gekoppelt ist, wobei die Filterbank eine Vielzahl von wählbaren Bandpassfiltern (514–520) zum Senden eines gewünschten Mischprodukts des Mischers und Dämpfen von unerwünschten Mischprodukten des Mischers umfasst.
Mikrowellen-Synthesizer, umfassend: eine Drift-Löschungs-Schleife (250) mit einem Schmalband-Eingang, einem Frequenz-Kammeingang, einem Breitband-Eingang, und einem Ausgang, der ein Ausgangssignal mit einstellbarer Frequenz erzeugt; einen Schmalband-Synthesizer (212) mit einem Ausgang, der mit dem Schmalband-Eingang der Drift-Löschungs-Schleife gekoppelt ist; einen Kammgenerator (216), der mit dem Niederfrequenz-Kammeingang der Drift-Löschungs-Schleife gekoppelt ist und eine Sequenz von Tönen bereitstellt; einen Oszillator (222), der einen im Wesentlichen festen Frequenzausgang erzeugt; und eine Einrichtung (226) zum Kombinieren der Sequenz von Tönen von dem Kammgenerator mit der Ausgangsfrequenz des Oszillators, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das wenigstens eine Summe und/oder eine Differenz von Frequenzen (218, 220) einschließt, wobei das Ausgangssignal an dem Breitband-Eingang der Drift-Löschungs-Schleife bereitgestellt wird.
Mikrowellen-Synthesizer nach Anspruch 14, ferner umfassend einen Ofen-gesteuerten Kristalloszillator OCXO (214), der mit dem Kammgenerator und dem Oszillator (222) zum Synchronisieren des Kammgenerators und des Oszillators zu dem OCXO gekoppelt ist.
Mikrowellen-Synthesizer nach Anspruch 14, wobei der OCXO mit einem Testerreferenztakt gekoppelt ist und in Synchronisation zu dem Testerreferenztakt oszilliert.
Verfahren zum Erzeugen eines Hochfrequenzsignals unter Verwendung einer Drift-Löschungs-Schleife mit einem Schmalband-Eingang (252), einem Niederfrequenz-Kammeingang (256), einem Breitband-Eingang (254), und einem Ausgang, der ein Ausgangssignal mit einstellbarer Frequenz erzeugt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte einschließt: (A) Anlegen eines Signals mit einstellbarer Frequenz an den Schmalband-Eingang der Drift-Löschungs-Schleife (250); (B) Anlegen der Sequenz von Tonkämmen, die durch einen im Wesentlichen gleichförmigen Tonabstand getrennt sind, an den Niederfrequenz-Kammeingang der Drift-Löschungs-Schleife; (C) Kombinieren der Sequenz von Tönen mit einem im Wesentlichen festen Frequenzsignal, um ein kombiniertes Signal zu erzeugen, welches Komponenten einschließt, die wenigstens einer Summe und/oder einer Differenz von Frequenzen (218, 220) entsprechen, und (D) Anlegen des kombinierten Signals an den Breitband-Eingang (254) der Drift-Löschungs-Schleife (250).
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend: (E) selektives Filtern des kombinierten Signals, um im Wesentlichen nur eine gewünschte Frequenzkomponente durchzulassen.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend das Verändern des Schritts E einer selektiven Filterung, um die Frequenzkomponente zu ändern, die im Wesentlichen durchgelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend ein Verändern des Signals mit einstellbarer Frequenz, um eine andere Ausgangsfrequenz einzurichten.