深入解析射頻訊號產生器原理、架構與關鍵效能指標

為何精準的射頻訊號產生至關重要？

在現代通訊、雷達、航太國防以及眾多高科技產業中，對於射頻 (RF) 訊號的品質與控制要求日益嚴苛，而精密的測試與量測則是確保系統效能與可靠度的基石，從元件特性分析到複雜系統驗證，高品質的射頻訊號源始終扮演著不可或缺的角色，若無精準且穩定的測試訊號，研發人員將無法有效地驗證設計，生產線亦難以確保產品品質的一致性，進而可能導致系統失效、效能下降，甚至影響終端應用的安全性與可靠度；因此，深入理解射頻訊號產生器的運作原理、關鍵技術以及如何評估其效能，對於選擇合適的測試設備與保障量測結果的準確性至關重要；本篇文章將深入探討射頻訊號產生器的基本原理、關鍵架構與重要效能指標，並說明這些因素如何影響各種測試應用的精確性。

射頻訊號產生器的核心架構

射頻訊號產生器在測試與量測領域已有超過半世紀的歷史，是不可或缺的基礎設備，在這段時間裡，它們以無數種方式進化，但其基本原理始終如一。

無論射頻訊號產生器是用於產生連續波 (Continuous Wave, CW) 訊號，還是包含類比和/或數位調變功能，它都具備三個基本的架構元件：參考部分 (reference section)、合成部分 (synthesis section)，以及輸出部分 (output section) – 請參見圖 1，每個部分的功能將在下文詳細說明。
 

圖 1. 射頻訊號產生器的三個架構元件。
 

參考部分是決定輸出頻率準確性的關鍵因素，其核心是一個參考振盪器，此振盪器必須具備極高的穩定性，同時又要考量成本效益以便整合於測試儀器中，許多射頻訊號產生器採用石英晶體的電致伸縮效應（或逆壓電效應） 作為參考振盪器（亦稱為 XO），用以產生參考頻率，其穩定性將確保訊號源的輸出頻率在校準週期之間保持準確，重要的特性包含短期穩定性（相位雜訊）與長期穩定性（或老化率），這兩者都可能受到溫度的影響，為了限制因溫度引起的頻率變化，振盪器可能包含溫度補償（稱為 TCXO）或放置在溫度控制（恆溫控制）的封裝（稱為 OCXO）中，以維持恆定的溫度。

訊號產生器的合成部分直接或間接利用一個或多個參考振盪器來產生所需的運作頻率範圍，直接合成技術有兩種主要類型：類比和數位 – 請參見圖 2。
 

圖 2. 直接類比合成 (DAS)（左）與直接數位合成 (DDS)（右）。
 

直接類比合成 (Direct Analog Synthesis, DAS)

利用一組振盪器陣列，透過倍頻、分頻、混頻，然後再經過濾波來產生一系列的輸出頻率，DAS 架構的優點是使用者可以在頻率之間極快地切換（通常在奈秒等級），並且輸出具有非常低的相位雜訊；其缺點是 DAS 設計通常需要使用許多元件，這可能導致成本、機構尺寸 (form factor) 和功耗的增加，並降低可靠性，在經過所有的倍頻、分頻和混頻過程後，要消除所有不想要的頻率混頻產物（或雜散輻射 (spurious emissions)）也可能變得相當困難。

直接數位合成 (Direct Digital Synthesis, DDS)

儀器使用一個參考振盪器來為數位電路提供時脈，該電路包含一個數位類比轉換器 (Digital-to-Analog Converter, DAC)，以直接產生所需的輸出頻率，這種架構提供快速的切換速度（通常在微秒等級）和精細的頻率產生解析度，但 DAC 技術在頻率方面可能受到限制，並且通常具有較高的雜散 (spurious) 成分。

間接合成 (Indirect synthesis)

利用壓控振盪器 (Voltage-Controlled Oscillator, VCO) 或釔鐵石榴石 (Yttrium Iron Garnet, YIG) 同調振盪器 (YIG Tuned Oscillator, YTO) 來產生所需的輸出頻率，一個 VCO 會依據輸入電壓產生一個輸出頻率，輸出頻率可以透過改變施加於變容二極體 (varactor) 的電壓來進行改變或調整，變容二極體是一種電壓可變電容器，通常由反向偏壓的 p-n 接面二極體製成；YTO 則利用磁共振原理在寬廣的調整範圍內（例如 2-18 GHz）產生極低相位雜訊的訊號，相較於 YTO，VCO 的體積更小、成本更低，並且能更快地改變頻率，而 YTO 則具有更佳的頻譜純淨度和更寬的調整範圍。

就儀器應用而言，VCO 和 YTO 缺乏足夠的頻率準確性和穩定性，許多訊號產生器採用相位鎖定迴路 (Phase Locked Loop, PLL) 來提升效能，在一個 PLL 中，VCO 或 YTO 的輸出頻率會被分頻，並使用一個相位檢測器 (phase detector) 與參考頻率進行比較，如果存在差異，就會產生一個誤差訊號，倘若任一振盪器向上（或向下）漂移，相位檢測器輸出的誤差訊號將會向下（或向上）調整 VCO/YTO 的輸出，以維持穩定的輸出頻率，修正發生的速率即為 PLL 的迴路頻寬 (loop bandwidth)，由於頻率範圍的限制，特別是 VCO，合成器的輸出通常會再經過一個頻率倍增器 (frequency multiplier) 以達到所需的更高頻率。

訊號產生器的輸出部分透過量測輸出功率並補償與設定功率位準之間的偏差，來維持所需的輸出振幅，自動位準控制 (Automatic Level Control, ALC) 電路會取樣訊號產生器的輸出功率，並調整增益或衰減，以維持使用者設定的輸出功率，ALC 電路提供一個標稱的振幅調整範圍，此範圍可以透過可調式衰減器加以擴展，常用的衰減器有兩種類型：機械式 (mechanical) 和固態 (solid state)。

機械式衰減器在功率放大器輸出端與輸出連接器之間引入的損耗非常小，然而，它們具有有限的使用壽命、較低的重複性、較慢的切換速度，並且可能引入相位偏移，一個典型的機械式衰減器其規格壽命可能為一百萬到一千萬次循環，對於一個 ATE（自動測試設備）應用而言，若功率位準在工作日每天 8 小時、每年 50 週的條件下每秒改變一次，該衰減器可能會在幾個月內失效；固態衰減器則具有更長的使用壽命，不會引入相位偏移，且切換速度快得多，然而，它們可能會有較大的插入損耗和溫度漂移，衰減範圍較為有限，且頻率範圍較窄。

射頻訊號合成技術比較表

評估射頻訊號產生器效能的關鍵指標

上述的架構設計取捨將直接影響訊號產生器的效能，其關鍵效能指標可歸納為三大類：頻率與振幅控制、頻譜純淨度與功率傳輸效率，當訊號產生器輸出阻抗與待測物 (DUT) 輸入阻抗匹配時，可達到最大的功率傳輸效率，當出現不匹配時，會產生駐波，駐波比 (Standing Wave Ratio, SWR) 規格描述了當訊號產生器連接到一個具有完美 50 歐姆阻抗的待測物時所產生的 SWR 值。

針對頻率與振幅控制，重要的考量層面包括範圍、準確性、穩定性、解析度，以及切換速度，這些大部分都相當容易理解，但切換速度則具有一些可變性與細微差異，切換速度可以指切換到特定頻率或功率位準所需的時間、以固定增量/減量掃描一段頻率或功率位準範圍所需的時間，或者執行一連串頻率和功率位準變更列表所需的時間，其細微之處在於如何判斷訊號產生器何時已達到特定的頻率或功率位準，當更新後的頻率或功率滿足定義的「穩定」標準時，此變更才被視為完成，例如：SGX1006 RF訊號產生器 的振幅變更，會在輸出振幅穩定在目標值的 0.1 dB 以內時被視為完成，值得注意的是，採用 PLL 的訊號產生器，其頻率切換速度將受到迴路頻寬的影響，相較之下，採用 DAS 或 DDS 架構的訊號產生器則不會有此效應。

訊號產生器製造商通常有不同的穩定標準 (settling criteria)，這使得比較切換速度規格變得非常困難，此外，這也可能導致儀器的穩定標準與正在執行的測試要求之間出現不一致的情況，為了處理這種潛在的不一致，許多訊號產生器允許使用者設定駐留時間 (dwell time)，駐留時間是訊號產生器在切換到下一個設定點之前，在指定的頻率或功率位準停留的最短時間。

針對頻譜純淨度，重要的考量層面是相對於目標訊號的相位雜訊以及諧波和雜散輻射 (spurious emissions) 的振幅，理想情況下，訊號產生器僅輸出特定目標頻率的 CW 訊號，然而，訊號產生器是由非理想元件構成，這些元件會產生相位雜訊和訊號諧波，兩者都會產生交互調變產物 (intermodulation products) 並導致雜散輻射，諧波是不期望的訊號，出現在目標 CW 輸出訊號的整數倍頻率上，訊號產生器中經常使用頻率倍增器來擴展頻率範圍，這可能導致次諧波 (sub-harmonics) 的出現，雜散輻射可能來自許多來源，因此它們可能出現在各種不同的頻率上，並且難以預測和減緩，幸運的是，它們的振幅通常遠低於目標 CW 訊號和較可預測的諧波 – 請參見圖 3。
 

圖 3. 頻譜純淨度的量測指標。
 

在一個採用 PLL 的訊號產生器中，相位雜訊主要有四個來源：參考振盪器、PLL 相位檢測器、VCO 或 YTO，以及寬頻雜訊，寬頻雜訊主要是訊號產生器內部熱雜訊的結果，並且與操作頻率無關，來自相位檢測器的相位雜訊也與操作頻率無關，然而，此相位雜訊會因為一個轉換 VCO/YTO 訊號至參考頻率以進行相位比較的除頻電路（除數為 N）而劣化 20 log N，另一方面，參考振盪器和 VCO/YTO 對相位雜訊的貢獻確實具有可預測的頻率相依性，最初以 1/f³（-30 dB/十倍頻）的速率下降，然後過渡到 1/f²（-20 dB/十倍頻）的關係，PLL 的頻寬決定了 VCO/YTO 對整體相位雜訊的貢獻開始受到抑制的點，圖 4 說明了這些不同的貢獻如何結合起來，形成訊號產生器的相位雜訊圖。
 

圖 4. 相位雜訊的貢獻來源。

先進射頻訊號產生解決方案：以 Boonton SGX1000 系列為例

為了提供一個具有多種架構優化及其相應效能的訊號產生器範例，可以參考 Boonton SGX1000 系列訊號產生器，以其中的 SGX1006 RF 訊號產生器 為例，此機種採用內部 100 MHz 恆溫控制晶體振盪器 (OCXO)，並運用一種非相位鎖定迴路 (PLL) 的專有混合設計，結合了直接類比合成 (DAS) 和直接數位合成 (DDS) 技術，用以產生 10 MHz 至 6.4 GHz 的頻率，並饋入一個固態可變衰減器，以提供 -50 dBm 至 +18 dBm 之間的功率位準，此設計造就了數項傑出的效能規格：

• 極快的頻率切換速度：200 µs，完全穩定
• 超低相位雜訊：-116 dBc/Hz @ 6 GHz，10 kHz 偏移
• 優異的振幅準確性：+/- 0.25 dB

圖 5. Boonton SGX1006 RF 訊號產生器。

選擇高效能射頻訊號產生器，確保測試準確性

精確可靠的射頻訊號產生是現代電子量測不可或缺的一環，從元件特性分析、系統整合驗證到生產線測試，高品質的訊號源都是確保最終產品效能的關鍵，深入理解訊號產生器的內部架構、運作原理以及各項關鍵效能指標，例如：頻率穩定性、相位雜訊、頻譜純淨度、振幅精度與切換速度，有助於工程師針對特定的應用需求，選擇最合適的測試解決方案，這不僅涉及到對儀器規格書的細致研讀，更包含了對測試情境與待測物特性的充分考量。

如同 Boonton SGX1000 系列 所展示的，透過先進的合成技術與優化的硬體設計，現代射頻訊號產生器能夠在提供極低相位雜訊、高頻譜純淨度的同時，實現極快的頻率切換速度與優異的振幅準確性，滿足了從研發到生產等不同階段的嚴苛測試挑戰，選擇正確的射頻訊號產生器，不僅能提升測試效率，更能確保量測結果的可靠度與可追溯性，進而加速產品開發週期，提升市場競爭力，最終為使用者帶來更高品質、更穩定的電子產品與服務。