20 GHz Synthesizer Delivers Ultra-Low Phase Noise and Fast Switching

Trisynt Technology Inc., www.trisynttechnology.com

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随着微波和毫米波技术的迅速发展，人们对于微波信号的产生提出了更高要求。未来的系统，从高速模数转换器和数模转换器（ADC和DAC）到雷达和基础研究应用，都需要信号具有更好的频率稳定性和频谱纯度，以及亚微秒级的信号频率切换速度。利用台式微波频率合成器可以简化此类系统的设计，该合成器能够将常规性能指标推向理论极限。Trisynt Technology开发的新型100kHz至20GHz频率合成器解决了这一挑战，它可以提供超低相位噪声，其出色的频谱纯度和频率组合的灵活性都是之前商业仪器无法提供的。

最好的商用合成器的指标是在10GHz载波偏移10kHz时相位噪声为-130dBc/Hz，而Trisynt的SAPSYNT-200则比行业标准提高了20dB，其相位噪声在10GHz载波偏移10kHz时达到了超低的150dBc/Hz。相位噪声的这一显著进步可以利用X波段频率基准和高Q值蓝宝石谐振器来实现，该谐振器锁定在10MHz OCXO的高稳定性，在0摄氏度到50摄氏度工作温度范围内，频率稳定性优于±1×10^-11。尽管基于蓝宝石的振荡器的低噪声特点已为人们所熟知，但只有少数系统能够在不使用低温方法的情况下，在很短的启动时间内保证蓝宝石振荡器的频率稳定性。SAPSYNT-200使用了一种全新的方法，通过高分辨率ADC和专用FPGA不断测量蓝宝石振荡器的频率和相位，形成相应的线性FM信号，以数位的方式将蓝宝石振荡器锁相至10MHz参考频率。该系统能在打开电源后几分钟之内稳定下来。

熟悉低噪声频率合成的工程师意识到，低噪声参考不足以建立一个合成器，合成核心带宽必须足以扩展到一个倍频程。将没有显著噪声衰减的参考特征转移到其他频率并非易事。尽管如此，SAPSYNT-200仍能做到这一点，在主频带中，从6.1875至12.375GHz的所有频率都具有始终如一的出色的相位噪声性能（图1）。

除了标准合成器输出可用的频率范围外，SAPSYNT-200还提供从组合的9.9GHz参考频率衍生出的信号输出：f/2即4.95GHz，f/4即2.475GHz，f/8即1.2375GHz和f/16即618.75MHz。这些频率具有更低的相位噪声，可与“黄金”相位噪声标准相提并论，可用于为ADC或DAC计时的应用。

增强的杂散性能

SAPSYNT-200精心解决了频谱中不需要的合成杂散辐射。他们已经开发出一种结合FPGA和高速DAC的专用DDS，可以同时使用硬件和软件来抑制非谐波杂散，其水平远低于-90dBc。SAPSYNT是完全直接的合成器，没有VCO、YTO或者PPL，仅仅是直接的频率相加、相乘和相除。来自相加、相乘、相除之外的所有杂散都会通过多通道开关滤波器组，在这里它们被阻挡至非常低的水平。这是通过使用具有非常陡峭的边缘性能的九阶硬件滤波器实现的，同时需要多个开关隔离为信号指定传输路线。从概念上说，DDS可以在信号周围500MHz频带内实现低杂散，而可切换滤波器组可以在带宽之外实现低杂散。图2显示了合成器输出端10GHz CW附近的宽带频谱。

快速切换速率

SAPAYNT-200的直接合成构架使得频率切换时只有很短的驻留时间。切换速度仅受宽带开关和内部接口的数据上传速率的限制。硬件滤波器的带宽通常为500MHz，对仪器的开关速度的影响可以忽略不计。在主频率倍频范围内（即6.1875至12.375GHz），列表模式下任何两个频率点的切换速度均在200ns之内，并在100kHz至20GHz的指定频率范围内保持在亚微秒以内。合成器的最小频率步进为1×10^-6Hz。

选项和升级

SAPSYNT-200支持扩展频率范围和添加功能，并且可以随着微波技术的发展而进行性能升级。例如可以对合成器进行改进，使其工作在从锁模激光器产生的光频率中提取的9GHz到10GHz光子时基。在这种情况下，包括DDS时钟在内的所有内部核心频率都将从无噪声的基准中再生，仅有其有源组件的热噪声限制了合成器的特性。

SAPSYNT-200直接频率合成器为相位噪声和频率捷变树立了新标准，这是一项安全的投资，因为在未来几年内，它将一直是最低噪声和最快的频率合成器之一。

图1：在主频段两端测试得到的相位噪声：（a）6.1875GHz，（b）12.375GHz

图2：10GHz合成信号周围的宽带频谱，从5GHz到17GHz的杂散辐射保持在-90dBm以下