韩尧
【摘要】介绍了现代频谱分析仪中YTO驱动电路的设计和优化。现代频谱分析仪普遍采用FFT分析和扫描分析相结合的方式，YTO通常作为频谱分析仪的扫频本振。该驱动电路利用带反馈的开关切换电路，不但满足FFT分析时的低相噪要求，同时满足扫频分析时的扫描速度要求。该电路已成功应用在频谱分析仪中。
【关键词】YTO;FFT分析;扫频分析;相位噪声;扫描速度
1.引言
现代高性能的宽带频谱分析仪采用超外差式的扫频方案。被测的RF信号经过多级变频处理，变至较低的中频上。然后进行A/D转换，变为数字信号。最后利用数字化中频技术及DSP芯片完成剩余处理。在分析频率带宽较窄时，通常利用带通采样定理进行模数转换，并采用FFT技术完成该测量范围的瞬时分析，速度要远远高于扫描外差式方案，并且分辨率较高，由于芯片最高采样速率的限制，频谱分析仪都有一个最大的实时分析带宽。为了更好的满足不同测试环境的要求，现代频谱分析仪普遍采用FFT分析和扫描分析相结合的分析模式，充分发挥各自的优势，实现窄带和宽带的快速频谱分析。
扫频本振是频谱分析仪的关键组成部分。由于频谱分析仪频率跨度大，传统的压控振荡器（VCO）是窄带器件，只能在较窄的频段内保持较好的相位噪声，而YTO是宽带器件，是以YIG（钇铁鉐榴石）小球为谐振子、微波晶体管为有源器件的固态微波信号源，其输出频率与内部调谐磁场有较好的线性关系，并且可以在很宽的频段内具有优异的相位噪声。
频谱分析仪的两种分析模式对应着扫频本振的两种输出方式：单点频率输出和扫频输出。FFT分析对应于单点频率输出，此时本振输出频率不变，处于锁定状态，要求更低的相位噪声。扫描分析则对应于扫频输出，希望本振较快完成较宽频率跨度的掃描，并且输出频率线性变化。
图1 YTO线圈结构图
2.YTO工作原理
YTO内部的调谐磁场由主线圈（TUNE+和TUNE-）和副线圈（FM+和FM-）两部分组成，前者感抗大、调谐慢，但调谐灵敏度高、调谐范围宽、高频干扰抑制好;后者感抗小从而调谐范围窄，但调谐速度快，并因为调谐灵敏度低而具有良好的干扰抑制特性。二者结合使用特别有利于大范围调谐又需要快速修正的宽带信号源，YTO线圈结构如图1所示。
YTO是电流控制振荡器，所以主线圈和副线圈必须由电流来驱动。整个驱动电路的工作原理为：主线圈起到粗调预置频率的作用，通过驱动电路将YTO预置到指定振荡频率附近±10MHz的范围内，这部分电路是在锁相环路之外的，预置完成后振荡器在指定频点±10MHz的范围内摆动，然后副线圈（FM线圈）开始起作用，其实调频线圈就是用来进行锁相的。与传统的锁相环不同的是，需要将误差电压转换成误差电流来驱动FM线圈完成环路锁定。
3.YTO驱动电路设计
YTO是由调谐电流控制YIG小球的外加偏置磁场，从而控制输出振荡频率，实现宽频带内快速调谐。理想情况下，YIG小球谐振器与其所加的磁场具有调谐线性关系，可根据关系式f=rH，在这里，H是应用的磁场，y大概为2.8.磁场与流过磁性材料的电流成正比，因此要实现线性频率扫描就要求有线性电流源。
因为YTO主驱动线圈电流每变化1mA，输出频率将会变化20MHz，对调谐电流的变化十分敏感，通常采用恒流源驱动YTO来保证其输出频率的稳定性。恒流源采用运放加CMOS场效应管的形式来实现，如图2所示。其中V1为预置电压，与YTO输出频率相关。当CMOS管VGS大于开启电压时，运放工作在负反馈的状态下，运放V-为“虚断路”，所以流经电阻R3和R4的电流为0，V+的电压就是预置电压，R1两端的电压就是V-。利用“虚短路”分析可知，V+=V-，R1两端的电压就是预置电压，那么流过R1的电流就是V1/R1，又根据CMOS管的工作特性，流过R1的电流就是流过YTO的电流，因此流经YTO调谐线圈的电流为V1/R1，从而完成预置电压到YTO调谐电流之间的转换。
图2 YTO驱动电路原理图
由以上分析可以看出，R1与调谐电流之间关系非常密切，该电阻的温漂直接影响调谐电流的稳定度，从而影响YTO输出频率的稳定度。另外由于YTO的主线圈的调谐灵敏度为20MHz/mA，当上限频率为10GHz时，大约需要500mA的电流，因此在选择电阻时尽可能考虑较低的温度系数，并且考虑功耗。
图3 单开关切换电路
图4 带反馈开关控制电路
图5 开关闭合前后相位噪声对比
4.YTO驱动电路优化
由于YTO主线圈调谐灵敏度较高，容易受到噪声干扰，所以为了稳定输出频率、降低相噪，一般在调谐+和调谐-之间增加大电容，通常为数十微法级。大电容的存在虽然减少了调谐电压上的纹波，从而改善了YTO输出信号的相位噪声，但会使得YTO频率改变的切换时间加长，从而降低YTO扫描的速度。为了兼顾频谱分析仪在FFT分析模式和扫频分析模式下对于YTO输出信号的不同要求，考虑在FFT分析模式时，滤波电容处于调谐+和调谐-端，保证信号的低相噪;而在扫频分析模式时，滤波电容处于断开状态，从而保证扫描速度。
为了实现滤波电容的并入和断开，可采用较为简单的方式，即在电容与调谐+之间增加一个开关，通过模式控制信号进行切换，如图3所示。然而，这种方式会引入新的问题。当开关断开时，则电容所在支路处于开路状态，那么电容两端的电压同为-12V，如果此时进入FFT分析模式，则开关闭合，那么电容一端的电压则需要从-12V跳变到Tune+电压，而电容两端的电压是不能跳变的，因此会引起YTO调谐端口电压的变化，从而导致YTO输出频率的变化。
因此为了保证电容切换前后的电压与调谐电压始终保持一致，采用带反馈的控制电路实现切换，具体如图3所示。
图4中C1是并联在YTO调谐线圈两端的电容，通常为几十微法，也就是需要进行切换的电容。K1和K2是完成开关功能的场效应管，二者导通条件相反。当进行FFT分析时，将K2导通，K1断开，此时C1的一端与Tune（+）相连，另一端与Tune（-）相连，因此C1与YTO调谐线圈两端相并联，从而满足频谱分析仪对于YTO输出信号的低相噪要求。当进行扫频分析时，将K1导通，K2断开，此时C1的一端与Tune（-）相连，另一端通过运放的负反馈作用与Tune（+）电压相一致，但此时C1与YTO调谐线圈断开，从而满足频谱分析仪对于YTO扫描速度的要求。并且C1两端的电压始终与YTO调谐端电压保持一致，这就保证了C1切换前后不会影响YTO调谐端的电压，因此不会改变YTO输出频率，引起输出频率的波动。
由于K1和K2采用场效应管实现，为了实现对其控制，增加了比较和钳位电路。比较器输入的一端接1.2V作为参考电压，另一端接FPGA中输出的开关控制电压（0V或3.3V），输出电压约为上拉电压或负电源电压。为了保证场效应管的栅源电压差，通过利用两个二极管的电压钳位作用，从而确保K1和K2一个断开，一个闭合。
5.测试结果
当频谱分析仪中YTO本振处于扫描状态时，为了减小大电容对扫描频率滞后的影响，一般断开滤波大电容通路，用增加相位噪声来换取快速、准确扫频的目的。如图5所示，是带反馈的开关控制电路开关闭合前后输出频点5000MHz频谱对比。图5中黄色曲线为电路开关闭合，即滤波大电容作用下的输出频谱，明显优于图中蓝色曲线，即电路开关断开时的输出频谱。
6.結语
通过开关控制调谐端滤波电容的开断，不仅可以兼顾FFT分析模式下对相位噪声的要求，还可以满足扫频分析模式下对YTO扫描速度的要求。同时，该电路还可应用于对YTO频率切换速度要求较高的场合，断开YTO调谐端的滤波电容，会大大改善频率切换时间。该电路已成功应用于频谱分析仪中，并改进了相位噪声、扫描时间和扫描准确度指标。
参考文献
[1]总装备部司令部通信局，电子41研究所.现代通信测量仪器[M].军事科学出版社.
[2]班万荣.频谱分析仪的原理和发展[J].现代电子技术，2005（7）：101-102.
[3]魏岩.一种实用YTO驱动电路的改进设计[J].机械与电子，2007（24）：108-109.
