Измерение фазового шума в диапазоне частот до 1 ТГц с использованием взаимно-коррелированного преобразования с понижением частоты

Повышение диапазона рабочих частот современных радаров и средств связи подталкивает индустрию контрольно-измерительных приборов к поиску решений для определения характеристик фазового шума таких устройств. Разработка тестовых систем для измерения фазового шума в миллиметровом диапазоне и выше, важна для исследовательских работ и вскоре станет необходимой для производственных испытаний. В этой статье представлено экономичное и гибкое решение для измерения фазового шума, практический подход, который можно использовать в субтерагерцовом диапазоне.

Принцип измерения

Современные системы измерения фазового шума работают в диапазоне от единиц МГц до десятков ГГц. Используя методы преобразование частоты, диапазон может быть расширен. Это можно сделать несколькими способами, однако выбранный подход должен сохранять шумовые характеристики исходного сигнала. Делители частоты имеют более высокий уровень шума и не сохраняют шумовые характеристики, что делает их малопригодными для измерения фазового шума в диапазонах более высоких частот. Для метода с использованием преобразователей частоты требуется сигнал гетеродина с низким уровнем шума; как правило, шум гетеродина будет ограничивать чувствительность системы к фазовому шуму.

Наилучшим подходом является разделение сигнала от тестируемого устройства и его преобразование с понижением частоты в два отдельных канала с использованием независимых гетеродинов (см. рис. 1). Несмотря на то, что оба гетеродина имеют одну и ту же номинальную частоту, два сигнала, преобразованные с понижением частоты, могут быть измерены по отдельности и подвергнуты взаимной корреляции для подавления некоррелированного шума, т. е. вкладов преобразователей с понижением частоты и гетеродинов. Некоррелированный шум подавляется с коэффициентом 5log10(n) в дБ, где n — количество взаимных корреляций. Этот подход позволяет измерять фазовый шум с лучшей чувствительностью при более низкой частоте сигнала и без нежелательного добавочного фазового шума от процесса преобразования с понижением частоты.

Рисунок 1: Измерение фазового шума на основе взаимно-коррелированного преобразования с понижением частоты.

Реализация

Применяя описанный подход, была собрана тестовая установка для измерения фазового шума в W-диапазоне (от 75 до 110 ГГц) (рис. 2). Использован анализатор источников сигнала AnaPico PNA40 с опцией LO и понижающие преобразователи Virginia Diodes (VDI). Сигналы гетеродинов с низким уровнем фазовых шумов берутся напрямую с анализатора PNA , который поддерживает подачу двух разных версий одного и того же сигнала в два внутренних измерительных тракта.

В качестве понижающих преобразователей  используются смесители гармоник VDI с возможностью выбора диапазона. Они соответствуют диапазонам измерения гетеродина и промежуточной частоты PNA40 и могут использоваться во всем диапазоне входного сигнала W-диапазона.

Рис. 2. Схема измерения фазового шума с помощью AnaPico PNA с понижающими преобразователями VDI.

Сочетание анализаторов фазового шума PNA с линейкой понижающих преобразователей от VDI поддерживает конфигурации, позволяющие проводить измерения фазового шума на частотах до 1.1 ТГц. Охват частот зависит от интерфейса подключения и поддерживает волноводы от WR15 (от 50 до 75 ГГц) до WR1.0 (от 750 ГГц до 1,1 ТГц).

Рис. 3: Измерение фазового шума на частоте 87 ГГц с графическим представлением PNA.

В этой статье описан метод измерения фазового шума субтерагерцовых сигналов с использованием двух отдельных понижающих преобразователей и взаимно-корреляционной обработки для подавления шумовых составляющих гетеродинов и понижающих преобразователей. Такой подход обеспечивает низкий общий уровень шума с очень низким вносимым шумом от измерительной установки. В качестве примера показано измерение фазового шума на частоте 87 ГГц с использованием анализатора фазового шума AnaPico PNA и понижающих преобразователей VDI. Выбрав соответствующие понижающие преобразователи VDI, можно расширить диапазон частот измерений до 1,1 ТГц. Эта установка предлагает недорогое и универсальное решение, которое может быть сконфигурировано от миллиметровых до субмиллиметровых длин волн.