OEO的毫米波超低相位噪声校准装置范文
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摘要：毫米波频率源的相位噪声性能在各个应用领域越来越受到重视，需要开展对该频段超低相位噪声参数校准技术的研究。分析了国内外低相位噪声校准技术的现状，提出了一种基于光电振荡器（oeo）的相位噪声校准技术，并使用该技术建立了一套毫米波超低相位噪声校准装置，解决了毫米波超低相位噪声校准能力受限于本振源相位噪声指标，无法准确测得低相噪频率源真实相噪性能的难题。
关键词：相位噪声；光电振荡器；本振源；校准
引言
现代信息化战争中，率先发现目标并进行超视距攻击是克敌制胜的法宝。随着隐身技术的发展，许多先进作战飞机雷达所具备的侦察及反侦察能力也越来越高，不仅仅是因为这些飞机具有超音速的巡航速度，更重要的是其对雷达侦察信号的反射信号非常小，如果侦察雷达发射信号的边带噪声很大，则在距离目标较远时，目标的反射信号已淹没在侦察信号的边带噪声中，发现目标的几率就大大降低，导致雷达识别的有效距离降低。因此使用低相位噪声频率源降低侦察雷达发射信号的相位噪声是提高侦察距离的有效手段。频率源的相位噪声会伴随整个通信过程，在解调终端，a相位噪声指标的恶化会引起基带信噪比下降；在通信传输中，频率源的相位噪声性能直接影响信号传输信噪比、通信误码率及通信质量；在军事应用中，雷达系统的目标识别分辨率也与相位噪声密切相关。因此，频率源的相位噪声性能在微波应用领域越来越受到重视，成为现代电子系统和设备的一个关键性指标。与传统的微波振荡器相比，光电振荡器（OEO）利用调制器和光纤低损耗的特性将连续光转换为频率稳定的、高频谱纯度的、低相位噪声的微波信号。由于光电振荡器的诸多优点，光电振荡器在科技和工程中应用得越来越广泛。为了测试和精确表征振荡器的性能，超低相位噪声测量技术发挥着越来越重要的作用。
1相位噪声校准技术现状
超低相位噪声频率源的出现，给相位噪声的计量带来了挑战。目前相位噪声测试一般是采用“相位检波器”法，对于毫米波频段频率源的校准，主要采用“微波下变频法”，原理如图1所示。目前市面上应用广泛的相位噪声校准装置有Agilent公司的3048、E5500和E5052系列、NXT公司的PN9000系列以及R＆S公司的FSUP、FSWP系列等。对毫米波频率频率源的测量方法都是采用上述的“微波下变频法”，把毫米波频段下变频到射频频段，再采用基于“相位检波法”的方法进行测量。E5052B／E5053A相噪测试系统采用的是谐波混频器的方法来变频，而PN9000、FSUP、FSWP系列选用了相噪性能较好的内置频率源作为本振源来进行下变频，各种变频模式各有优缺点，但对毫米波超低相噪频率源的变频，目前现有系统的校准能力均存在局限性，表1针对现有相位噪声测试系统在毫米波频段的最佳校准能力进行了比较（不借助数字自相关处理的情况下）。由此可见，就毫米波超低相位噪声测量校准方法而言，目前国内外的技术基本上是一样的，采用的测试系统基本上也是知名公司的产品，差别在于校准装置所采用的参考源或本振源的指标高低。采用传统的频率合成技术研制的频率源，其相位噪声指标的提升空间已很小，需要开展新的超低相位噪声频率产生技术的研究。近年来，随着光电技术的发展，OEO由于其优良的超低相位噪声特性、抗干扰性和抗振性，已越来越成为关注的焦点。从相噪指标看，OEO远优于目前使用传统微波频率源，将其作为参考源或本振源，应用于相位噪声校准装置中，可以显著提高装置本省的校准能力，该装置校准能力如表2所示。比较表1中所列的校准能力，可以看到，使用OEO建立的相位噪声校准装置具备明显的指标优势，能够应对日趋提高的使用需求和计量需求。
2校准装置工作原理
2．1毫米波超低相位噪声校准装置设计本装置采用“微波变频法”对毫米波频段超低相噪噪声频率源的相位噪声进行校准，在现有相位噪声测试系统的基础上，研究超低相位噪声的微波下变频器和基于光电振荡原理的超低相位噪声本振源，其工作原理如图2所示。被测频率源与超低相位噪声本振源通过毫米波下变频器进行下变频，将变频至1GHz左右的射频信号，送入相位噪声测试系统。该系统采用常规的“相位检波法”进行相位噪声测试，其中参考频率源作为射频参考源，其在1GHz载频时的相位噪声指标如表3所示。由表3可以看出，在射频频段参考源的指标远远高于毫米波频段，只要保证被测频率源变频到射频频段时，用作本振的超低相位噪声本振源的相位噪声指标优于被测源指标10dB以上，变频器引入的附加噪声足够小，则相位噪声测试系统的校准结果就是被测毫米波超低噪声率源的相位噪声。
2．2毫米超低相位噪声本振源研制为了使校准能力得到最大限度的提升，并结合研制周期及成本控制等多方面的考虑，测量更低的相位噪声必须配备更好的超低相噪源作为本振源。结合传统频率源和光电振荡器（OEO）的优缺点，本装置提出了在远端性能优良的频率源相位噪声测试中选用OEO作为本振源，而在测量近端（fm＝1Hz处）相噪性能优良的频率源时则选用基于纯电子技术的传统频率源外接高稳晶振后作为本振源的分段测试方法，从而使得该校准装置能够更加灵活、有效地适应各种相位噪声指标的毫米波频率源，满足了市场需求。图3为近端超低相位噪声测试本振源连接框图。本装置远端低相噪本振源采用一套20～40GHz宽频段可调谐超低相位噪声光电振荡器，其原理如图4所示。其基本组成部分包括：高效率低噪声光电转换单元、高效率低噪声电光转换单元、高Q值光学储能及控制单元、低相噪微波控制单元、频率调谐单元以及频率稳定控制单元等。整个光电混合振荡回路构成一个正反馈的谐振腔。OEO利用长光纤的高Q值储能特性和低相噪微波控制单元的选模特性，将连续光变为稳定的、频谱纯度高的微波信号。
2．3毫米波超低相位噪声校准装置溯源方法的研究现有国家及国防计量标准的校准能力不能覆盖本装置的指标，因此毫米波超低相位噪声校准装置不能直接溯源至国家或国防计量标准，需采用分解溯源和能力比对的方法进行溯源。首先，将毫米波超低相位噪声校准装置中的现有相位噪声测试系统独立出来，在低频段上溯源至国家或国防计量标准上，确保在中频上的测量结果准确可靠。然后，按图5所示，用一台实现原理、工艺和技术指标与毫米波超低相位噪声本振源一致的源作为被测件，通过毫米波下变频组件进行下变频，输出1GHz以下的射频信号。用经溯源的相位噪声测试系统进行相位噪声测试，测试结果为被测源、本振源和下变频组件三者相位噪声的叠加。由于被测源和本振源指标相当，下变频的附加相噪远低于被测件的相位噪声，所以测试结果减3dB，即为毫米波超低相位噪声校准装置的相位噪声测量能力。为了进一步对毫米波超低相位噪声校准装置相位噪声测试准确度进行验证，可以在国家或国防计量标准的能力范围内，和国家或国防计量标准进行比对。用一台20～40GHz的毫米波信号源作为被测件，分别用本装置和国防最高计量标准进行比对测试，比对测量结果的差值应小于本装置的测量扩展不确定度。
3校准装置的指标验证
本节主要阐述校准装置中相位噪声测试系统、毫米波下变频组件、毫米波本振指标的实验验证，最后再对整个校准装置进行指标验证。
3．1相位噪声测试系统的相位噪声灵敏度验证本装置利用现有相位噪声测试系统对中频信号进行测试，选用的相位噪声测试系统在中频频率的相位噪声灵敏度必须优于校准装置的相位噪声底。本装置可选用的相位噪声测试系统有E5052B及E5504B两种。1）E5504B的相位噪声灵敏度验证E5504B分为测试装置和参考源两部分，对测试装置的相位噪声灵敏度进行测试的原理框图如图6所示，设置E8257D输出频率为600MHz，幅度为20dBm，精确调节移相器使进入测试装置的信号正交。相位噪声灵敏度测试数据如图7所示。使用E5504B测试参考源E8663D在600MHz频率上的相位噪声，测试数据如图8所示。将上述测得结果和校准装置的指标要求相比较，如表4所示。E5504B相位噪声测试系统整体指标受到参考源相位噪声的限制，在偏置频率1kHz以上，参考源E8663D的相位噪声达不到校准装置的指标要求。2）E5052B的相位噪声灵敏度验证测试E5052B相位噪声测试系统在600MHz频偏的底噪，测试原理如图9所示，测试数据如图10所示。E5052B相位噪声灵敏度和校准装置要求如表5所示。可见，E5052B可以满足校准装置指标要求。根据实验结果，使用E5052B作为本装置的相位噪声测试系统。
3．2毫米波下变频组件的指标验证毫米波下变频组件常温指标验证试验连线框图如图11所示。设置合成信号源为不同的频率、幅度，测量中频输出的频率、幅度和相位噪声，结果如表6、表7所示。毫米波下变频组件附加相位噪声测试连接框图如图12所示。设置第一台合成信号源E8257D的频率为40GHz，幅度为16dBm；设置第二台合成信号源E8257D的频率为39．4GHz，幅度为20dBm；测试毫米波下变频组件附加相位噪声，结果如图13所示。比较毫米波下变频组件和校准装置指标要求如表8所示，毫米波下变频组件的附加相位噪声低于校准装置设计相噪灵敏度度指标，满足本项目指标要求。
3．3毫米波本振源的指标验证按图14连接毫米波下变频本振和频谱分析仪，设置毫米波下变频本振的频率为20、20．001、30、30．001，39．999和40GHz，用频谱分析仪测量其输出信号的频率和幅度。测试结果如表9所示。按图15连接毫米波超低相位噪声本振源、毫米波超低相位噪声频率源、毫米波超低相位噪声下变频组件和相位噪声测试系统。设置毫米波超低相噪频率源的频率为20．6GHz，设置毫米波超低相位噪声本振源的频率为20GHz，使用E5052B测试两者混频后的中频信号的相位噪声，结果如图16所示。设置毫米波超低相噪频率源的频率为39．4GHz，设置毫米波超低相位噪声本振源的频率为40GHz，使用E5052B测试两者混频后的中频信号的相位噪声，结果如图17所示。上述测量结果减去3dB即为毫米波超低相位噪声本振源的相位噪声测量结果，测量结果满足设计要求。
3．4校准装置整体指标验证使用一台E8257D作为传递源，利用本项目研制的校准装置测试其26GHz输出时的相位噪声，再用E5504B相位噪声测试系统测试其相位噪声，比较两组的测量结果，差值小于本项目研制的校准装置的不确定度则通过验证。本校准装置测试结果如表10所示。经过对校准装置的指标验证试验，校准装置的测试数据满足指标要求。
4校准装置不确定度分析
4．1测量方法本校准装置的测量方法是利用毫米波下变频组件BT2200C和毫米波超低相位噪声本振源AV2040EO将被测毫米波信号下变频至600MHz左右，再接入相位噪声测试系统E5052B进行测量。
4．2测量不确定度的来源1）相位噪声测试系统自身测量不准引入的不确定度分量；2）毫米波下变频组件引入的不确定度分量；3）毫米波本振源引入的不确定度分量；4）信号失配引入的不确定度分量；5）射频参考源引入的不确定度分量；6）测量重复性引入的不确定度分量。
4．3测量不确定度的评定1）相位噪声测试系统自身测量不准引入的不确定度分量经过校准后，在偏置频率＜1MHz时，E5052B的扩展不确定度为2．4dB；在偏置频率≥1MHz时，E5052B的扩展不确定度为4．8dB，k＝2，则合成标准不确定度为：2）毫米波下变频组件引入的不确定度分量实测毫米波下变频组件的附加相位噪声，将结果和毫米波本振源相位噪声比较，可见毫米波下变频组件的附加相位噪声远小于毫米波本振源的相位噪声，因此毫米波下变频组件引入的不确定度分量可以忽略不计。3）毫米波本振源引入的不确定度分量当本振信号相位噪声优于被测信号相位噪声10dB时，该引入量的最大误差为±0．4dB。假设在区间内均匀分布，置信概率为100％，包含因子3，则标准不确定度采用B类评定方法进行评定：4）信号失配引入的不确定度分量信号失配引入的不确定度，由仪器说明书及实验数据知，其引入的最大误差为±0．2dB。假设在区间内反正弦分布，置信概率为100％，包含因子2，则标准不确定度采用B类评定方法进行评定：5）射频参考源引入的不确定度分量E5052B内部使用两路参考源分别进行正交鉴相后，在作互相关处理，可以有效消除参考源引入的不确定度，因此，参考源引入的不确定度分量可以忽略不计。6）测量重复性引入的不确定度分量利用本装置测量低相噪合成信号源E8257D的相位噪声，测试频率为40GHz，偏置频率取10kHz和10MHz，10次测量值如下表：取单次测量值作为测量结果时，u61＝s（y）＝0．86dBu62＝s（y）＝0．62dB7）合成标准不确定度1）偏置频率fm＜1MHz时：
5结论
现代通信技术、电子对抗技术等领域对振荡器等频率源的频率稳定度及频谱纯度提出了越来越高的要求，频率源相位噪声的表征和测量在振荡器性能的研究和测试中发挥着越来越重要的作用。本装置旨在通过研究毫米波超低相位噪声本振源及毫米波下变频器，建立一套毫米波段超低相位噪声频率源校准装置，解决毫米波超低相位噪声测试受限于下变频组件本振源相位噪声指标，无法准确测得真实相噪性能的难题。校准方法及装置的结构简单，所需器件少，成本低，实用性强，可满足当今民用、军用市场对高性能高频段频率源测量的需求。
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作者：胡丹丹 单位：中国电子科技集团公司第十研究所