前言

不斷提高雷達和通信的工作頻率正在推動測試和測量行業(yè)為表征這些較高頻段信號的相位噪聲提供解決方案。毫米波和更高頻率的測試系統(tǒng)的開發(fā)對于這些研究非常重要，并將成為生產(chǎn)測試的關(guān)鍵。本文闡述了一種AnaPico公司APPH系列相位噪聲分析儀用于sub-THz范圍測量相位噪聲的經(jīng)濟高效且高度靈活的解決方案。

背景

太赫茲(THz)波的波段能夠覆蓋半導(dǎo)體、等離子體，有機體和生物大分子等物質(zhì)的特征譜；利用該頻段可以加深和拓展人類對物理學、化學、天文學、信息學和生命科學中一些基本科學問題的認識。THz技術(shù)可多應(yīng)用于雷達、遙感、國土安全與反恐、高保密的數(shù)據(jù)通訊與傳輸、大氣與環(huán)境監(jiān)測、實時生物信息提取以及醫(yī)學診斷等領(lǐng)域。
因此不斷提高雷達和通信的工作頻率正在推動測試和測量行業(yè)為表征這些較高頻段信號的相位噪聲提供解決方案。毫米波和更高頻率的測試系統(tǒng)的開發(fā)對于這些研究非常重要，并將成為生產(chǎn)測試的關(guān)鍵。

本文闡述了一種AnaPico公司APPH系列相位噪聲分析儀用于sub-THz范圍測量相位噪聲的經(jīng)濟高效且高度靈活的解決方案。普通、最常見的是采用按鈕式控制，通過設(shè)備上各種按鈕來實現(xiàn)不同的功能需求。但是這樣既不美觀，也很繁瑣。

測量原理

當前的相位噪聲測量系統(tǒng)一般工作在1MHz到50GHz頻率之間。而使用頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，則可以擴展它的工作范圍。頻率轉(zhuǎn)換可以通過多種方式完成，但無論采用何種方法都必須保留原始信號的噪聲特性。分頻器相對簡單和經(jīng)濟，但它具有較高的本底噪聲，并且不能保留原始信號的噪聲特性，因此它通常不適用于較高的頻率。下變頻器則需要低噪聲本地振蕩器 (LO) 信號，但是普通的LO噪聲又會限制系統(tǒng)的相位噪聲靈敏度。

因此更好的方法是將來自被測設(shè)備的信號功分成兩路分別輸入至兩個下變頻器通道中，兩個下變頻器分別使用獨立的 LO 將其下變頻到相位噪聲分析儀可直接接收的頻率范圍內(nèi)（參見圖1和圖2）。這種即使兩個LO處于相同的標稱頻率，也可以單獨測量兩個下變頻信號并進行交叉相關(guān)以抑制不相關(guān)的噪聲（即來自下變頻器和LO的貢獻）。不相關(guān)的噪聲可以通過APPH相位噪聲分析儀中的高速互相關(guān)引擎運算以5?log10(n)的因子進行抑制（以dB為單位），其中公式中的n是互相關(guān)的次數(shù)。這種方法可以在較低信號頻率以及更好的本底噪聲下測量相位噪聲，并且沒有來自下變頻鏈路中額外引入的附加相位噪聲。

操作

使用前文所介紹的方法，用于W波段（75至110GHz）相位噪聲測量的測試設(shè)置如圖3所示。它使用帶有LO選項（可提供兩路相噪分析儀內(nèi)部本振的輸出）的AnaPico的APPH40G相噪分析儀和Virginia Diodes (VDI)公司的下變頻器。使用 AnaPico相位噪聲分析儀的方案，兩路高質(zhì)量低相位噪聲LO可由一臺測量儀器提供而無需再使用其它額外的信號源，AnaPico的APPH系列信號源分析儀支持將同一信號的兩個不同鏈路饋送到其兩個內(nèi)部測量通道。頻率范圍可選的VDI諧波混頻器則用于下變頻器，它們與AnaPico公司APPH40G自帶的LO輸出范圍和IF輸入測量范圍相匹配，并且可以在其整個W波段輸入范圍內(nèi)使用。

將AnaPico的APPH相位噪聲分析儀與VDI的下變頻器系列相結(jié)合，還支持將相位噪聲測試提高到1THz以上的應(yīng)用。頻率覆蓋范圍只取決于信號與下變頻器的連接接口，波導(dǎo)范圍從WR15（50至75GHz）到WR1.0（750 GHz至1.1THz）。
同時這種毫米波測試模式已完全集成到AnaPico的APPH系列信號源分析儀的圖形化軟件操作界面中，還可很大程度的使用APPH內(nèi)部信號生成的鑒相器頻率，該儀器同時還優(yōu)化了LO和IF頻率，以較大限度地降低噪聲。用戶只需在軟件界面上輸入大概的待測信號頻率；其他一切都是自動配置的。該系統(tǒng)應(yīng)用非常靈活和應(yīng)用廣，能夠處理低至-15dBm的信號輸入功率。
圖4顯示了87GHz信號的測量結(jié)果。整個系統(tǒng)來自LO的本底噪聲和相位噪聲貢獻低于測量曲線10dB以上，不會扭曲測試結(jié)果。

結(jié)論

本文概述了一種使用兩個單獨的下變頻器測量sub-THz信號相位噪聲的方法，它基于AnaPico公司APPH系列相位噪聲分析儀的內(nèi)部強大的互相關(guān)算法和儀器自帶極低相位噪聲LO輸出對經(jīng)過下變頻器鏈路而引入的噪聲進行抑制。這種方法在設(shè)置過程中和鏈路引入的附加噪聲對測量結(jié)果的貢獻非常低，保證了測量的準確性。為了演示這一原理，我們展示了一個使用AnaPico公司APPH相位噪聲分析儀和VDI下變頻對一個87GHz的信號進行測量。通過選擇合適的下變頻，APPH可將測量頻率范圍擴展到1.1THz。這種方法提供了一個低成本和通用解決方案，可以實現(xiàn)從毫米波到亞太赫茲頻率相位噪聲的精準測量。