測(cè)量太赫茲（THz）信號(hào)相位噪聲解決方案

前言

不斷提高雷達(dá)和通信的工作頻率正在推動(dòng)測(cè)試和測(cè)量行業(yè)為表征這些較高頻段信號(hào)的相位噪聲提供解決方案。毫米波和更高頻率的測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)于這些研究非常重要，并將成為生產(chǎn)測(cè)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(cè)量相位噪聲的經(jīng)濟(jì)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(jī)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(duì)物理學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)、信息學(xué)和生命科學(xué)中一些基本科學(xué)問題的認(rèn)識(shí)。THz技術(shù)可多應(yīng)用于雷達(dá)、遙感、國(guó)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(cè)、實(shí)時(shí)生物信息提取以及醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。
因此不斷提高雷達(dá)和通信的工作頻率正在推動(dòng)測(cè)試和測(cè)量行業(yè)為表征這些較高頻段信號(hào)的相位噪聲提供解決方案。毫米波和更高頻率的測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)于這些研究非常重要，并將成為生產(chǎn)測(cè)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(cè)量相位噪聲的經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)不同的功能需求。但是這樣既不美觀，也很繁瑣。

測(cè)量原理

當(dāng)前的相位噪聲測(cè)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(kuò)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(hào)的噪聲特性。分頻器相對(duì)簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)，但它具有較高的本底噪聲，并且不能保留原始信號(hào)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(hào)，但是普通的LO噪聲又會(huì)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(cè)設(shè)備的信號(hào)功分成兩路分別輸入至兩個(gè)下變頻器通道中，兩個(gè)下變頻器分別使用獨(dú)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(gè)LO處于相同的標(biāo)稱頻率，也可以單獨(dú)測(cè)量?jī)蓚€(gè)下變頻信號(hào)并進(jìn)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(xiàn)）。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(yùn)算以5?log10(n)的因子進(jìn)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(hào)頻率以及更好的本底噪聲下測(cè)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(cè)量的測(cè)試設(shè)置如圖3所示。它使用帶有LO選項(xiàng)（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(tái)測(cè)量?jī)x器提供而無需再使用其它額外的信號(hào)源，AnaPico的APPH系列信號(hào)源分析儀支持將同一信號(hào)的兩個(gè)不同鏈路饋送到其兩個(gè)內(nèi)部測(cè)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(cè)量范圍相匹配，并且可以在其整個(gè)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(cè)試提高到1THz以上的應(yīng)用。頻率覆蓋范圍只取決于信號(hào)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(shí)這種毫米波測(cè)試模式已完全集成到AnaPico的APPH系列信號(hào)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(hào)生成的鑒相器頻率，該儀器同時(shí)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(cè)信號(hào)頻率；其他一切都是自動(dòng)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(hào)輸入功率。
圖4顯示了87GHz信號(hào)的測(cè)量結(jié)果。整個(gè)系統(tǒng)來自LO的本底噪聲和相位噪聲貢獻(xiàn)低于測(cè)量曲線10dB以上，不會(huì)扭曲測(cè)試結(jié)果。

結(jié)論

本文概述了一種使用兩個(gè)單獨(dú)的下變頻器測(cè)量sub-THz信號(hào)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(qiáng)大的互相關(guān)算法和儀器自帶極低相位噪聲LO輸出對(duì)經(jīng)過下變頻器鏈路而引入的噪聲進(jìn)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(duì)測(cè)量結(jié)果的貢獻(xiàn)非常低，保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。為了演示這一原理，我們展示了一個(gè)使用AnaPico公司APPH相位噪聲分析儀和VDI下變頻對(duì)一個(gè)87GHz的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。通過選擇合適的下變頻，APPH可將測(cè)量頻率范圍擴(kuò)展到1.1THz。這種方法提供了一個(gè)低成本和通用解決方案，可以實(shí)現(xiàn)從毫米波到亞太赫茲頻率相位噪聲的精準(zhǔn)測(cè)量。