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的開發對于這些研究非常重要，并將成為生產測試的關鍵。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濟高效且高度靈活的解決方案。

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背景

太赫茲(THz)波的波段能夠覆蓋半導體、等離子體，有機體和生物大分子等物質的特征譜；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技術可多應用于雷達、遙感、國土安全與反恐、高保密的數據通訊與傳輸、大氣與環境監測、實時生物信息提取以及醫學診斷等領域。
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的開發對于這些研究非常重要，并將成為生產測試的關鍵。

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，通過設備上各種按鈕來實現不同的功能需求。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一般工作在1MHz到50GHz頻率之間。而使用頻率轉換系統，則可以擴展它的工作范圍。頻率轉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噪聲又會限制系統的相位噪聲靈敏度。

因此更好的方法是將來自被測設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（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以抑制不相關的噪聲（即來自下變頻器和LO的貢獻）。不相關的噪聲可以通過APPH相位噪聲分析儀中的高速互相關引擎運算以5?log10(n)的因子進行抑制（以dB為單位），其中公式中的n是互相關的次數。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。

圖1：APPH相位噪聲分析儀基于互相關的下變頻THz相位噪聲測量（信號連接示意）圖2：APPH相位噪聲分析儀THz測量實際信號連接示意

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波段輸入范圍內使用。

圖3：使用帶有VDI下變頻器的AnaPico公司APPH系列相噪分析儀的相位噪聲測量設置

將AnaPico的APPH相位噪聲分析儀與VDI的下變頻器系列相結合，還支持將相位噪聲測試提高到1THz以上的應用。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內部信號生成的鑒相器頻率，該儀器同時還優化了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。該系統應用非常靈活和應用廣，能夠處理低至-15dBm的信號輸入功率。
圖4顯示了87GHz信號的測量結果。整個系統來自LO的本底噪聲和相位噪聲貢獻低于測量曲線10dB以上，不會扭曲測試結果。

圖4：APPH系列相噪分析儀界面上進行87GHz信號相位噪聲測量的結果

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結論

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部強大的互相關算法和儀器自帶極低相位噪聲LO輸出對經過下變頻器鏈路而引入的噪聲進行抑制。這種方法在設置過程中和鏈路引入的附加噪聲對測量結果的貢獻非常低，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，可以實現從毫米波到亞太赫茲頻率相位噪聲的精準測量。