测量太赫兹（THz）信号相位噪声解决方案

前言

不断提高雷达和通信的工作频率正在推动测试和测量行业为表征这些较高频段信号的相位噪声提供解决方案。毫米波和更高频率的测试系统的开发对于这些研究非常重要，并将成为生产测试的关键。本文阐述了一种AnaPico公司APPH系列相位噪声分析仪用于sub-THz范围测量相位噪声的经济高效且高度灵活的解决方案。

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背景

太赫兹(THz)波的波段能够覆盖半导体、等离子体，有机体和生物大分子等物质的特征谱；利用该频段可以加深和拓展人类对物理学、化学、天文学、信息学和生命科学中一些基本科学问题的认识。THz技术可多应用于雷达、遥感、国土安全与反恐、高保密的数据通讯与传输、大气与环境监测、实时生物信息提取以及医学诊断等领域。
因此不断提高雷达和通信的工作频率正在推动测试和测量行业为表征这些较高频段信号的相位噪声提供解决方案。毫米波和更高频率的测试系统的开发对于这些研究非常重要，并将成为生产测试的关键。

本文阐述了一种AnaPico公司APPH系列相位噪声分析仪用于sub-THz范围测量相位噪声的经济高效且高度灵活的解决方案。普通、最常见的是采用按钮式控制，通过设备上各种按钮来实现不同的功能需求。但是这样既不美观，也很繁琐。

测量原理

当前的相位噪声测量系统一般工作在1MHz到50GHz频率之间。而使用频率转换系统，则可以扩展它的工作范围。频率转换可以通过多种方式完成，但无论采用何种方法都必须保留原始信号的噪声特性。分频器相对简单和经济，但它具有较高的本底噪声，并且不能保留原始信号的噪声特性，因此它通常不适用于较高的频率。下变频器则需要低噪声本地振荡器 (LO) 信号，但是普通的LO噪声又会限制系统的相位噪声灵敏度。

因此更好的方法是将来自被测设备的信号功分成两路分别输入至两个下变频器通道中，两个下变频器分别使用独立的 LO 将其下变频到相位噪声分析仪可直接接收的频率范围内（参见图1和图2）。这种即使两个LO处于相同的标称频率，也可以单独测量两个下变频信号并进行交叉相关以抑制不相关的噪声（即来自下变频器和LO的贡献）。不相关的噪声可以通过APPH相位噪声分析仪中的高速互相关引擎运算以5∙log10(n)的因子进行抑制（以dB为单位），其中公式中的n是互相关的次数。这种方法可以在较低信号频率以及更好的本底噪声下测量相位噪声，并且没有来自下变频链路中额外引入的附加相位噪声。

图1：APPH相位噪声分析仪基于互相关的下变频THz相位噪声测量（信号连接示意）图2：APPH相位噪声分析仪THz测量实际信号连接示意

操作

使用前文所介绍的方法，用于W波段（75至110GHz）相位噪声测量的测试设置如图3所示。它使用带有LO选项（可提供两路相噪分析仪内部本振的输出）的AnaPico的APPH40G相噪分析仪和Virginia Diodes (VDI)公司的下变频器。使用 AnaPico相位噪声分析仪的方案，两路高质量低相位噪声LO可由一台测量仪器提供而无需再使用其它额外的信号源，AnaPico的APPH系列信号源分析仪支持将同一信号的两个不同链路馈送到其两个内部测量通道。频率范围可选的VDI谐波混频器则用于下变频器，它们与AnaPico公司APPH40G自带的LO输出范围和IF输入测量范围相匹配，并且可以在其整个W波段输入范围内使用。

图3：使用带有VDI下变频器的AnaPico公司APPH系列相噪分析仪的相位噪声测量设置

将AnaPico的APPH相位噪声分析仪与VDI的下变频器系列相结合，还支持将相位噪声测试提高到1THz以上的应用。频率覆盖范围只取决于信号与下变频器的连接接口，波导范围从WR15（50至75GHz）到WR1.0（750 GHz至1.1THz）。
同时这种毫米波测试模式已完全集成到AnaPico的APPH系列信号源分析仪的图形化软件操作界面中，还可很大程度的使用APPH内部信号生成的鉴相器频率，该仪器同时还优化了LO和IF频率，以较大限度地降低噪声。用户只需在软件界面上输入大概的待测信号频率；其他一切都是自动配置的。该系统应用非常灵活和应用广，能够处理低至-15dBm的信号输入功率。
图4显示了87GHz信号的测量结果。整个系统来自LO的本底噪声和相位噪声贡献低于测量曲线10dB以上，不会扭曲测试结果。

图4：APPH系列相噪分析仪界面上进行87GHz信号相位噪声测量的结果

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结论

本文概述了一种使用两个单独的下变频器测量sub-THz信号相位噪声的方法，它基于AnaPico公司APPH系列相位噪声分析仪的内部强大的互相关算法和仪器自带极低相位噪声LO输出对经过下变频器链路而引入的噪声进行抑制。这种方法在设置过程中和链路引入的附加噪声对测量结果的贡献非常低，保证了测量的准确性。为了演示这一原理，我们展示了一个使用AnaPico公司APPH相位噪声分析仪和VDI下变频对一个87GHz的信号进行测量。通过选择合适的下变频，APPH可将测量频率范围扩展到1.1THz。这种方法提供了一个低成本和通用解决方案，可以实现从毫米波到亚太赫兹频率相位噪声的精准测量。