OEO的毫米波超低相位噪聲校準裝置范文
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摘要：毫米波頻率源的相位噪聲性能在各個應用領域越來越受到重視，需要開展對該頻段超低相位噪聲參數校準技術的研究。分析了國內外低相位噪聲校準技術的現狀，提出了一種基于光電振蕩器（oeo）的相位噪聲校準技術，并使用該技術建立了一套毫米波超低相位噪聲校準裝置，解決了毫米波超低相位噪聲校準能力受限于本振源相位噪聲指標，無法準確測得低相噪頻率源真實相噪性能的難題。
關鍵詞：相位噪聲；光電振蕩器；本振源；校準
引言
現代信息化戰爭中，率先發現目標并進行超視距攻擊是克敵制勝的法寶。隨著隱身技術的發展，許多先進作戰飛機雷達所具備的偵察及反偵察能力也越來越高，不僅僅是因為這些飛機具有超音速的巡航速度，更重要的是其對雷達偵察信號的反射信號非常小，如果偵察雷達發射信號的邊帶噪聲很大，則在距離目標較遠時，目標的反射信號已淹沒在偵察信號的邊帶噪聲中，發現目標的幾率就大大降低，導致雷達識別的有效距離降低。因此使用低相位噪聲頻率源降低偵察雷達發射信號的相位噪聲是提高偵察距離的有效手段。頻率源的相位噪聲會伴隨整個通信過程，在解調終端，a相位噪聲指標的惡化會引起基帶信噪比下降；在通信傳輸中，頻率源的相位噪聲性能直接影響信號傳輸信噪比、通信誤碼率及通信質量；在軍事應用中，雷達系統的目標識別分辨率也與相位噪聲密切相關。因此，頻率源的相位噪聲性能在微波應用領域越來越受到重視，成為現代電子系統和設備的一個關鍵性指標。與傳統的微波振蕩器相比，光電振蕩器（OEO）利用調制器和光纖低損耗的特性將連續光轉換為頻率穩定的、高頻譜純度的、低相位噪聲的微波信號。由于光電振蕩器的諸多優點，光電振蕩器在科技和工程中應用得越來越廣泛。為了測試和精確表征振蕩器的性能，超低相位噪聲測量技術發揮著越來越重要的作用。
1相位噪聲校準技術現狀
超低相位噪聲頻率源的出現，給相位噪聲的計量帶來了挑戰。目前相位噪聲測試一般是采用“相位檢波器”法，對于毫米波頻段頻率源的校準，主要采用“微波下變頻法”，原理如圖1所示。目前市面上應用廣泛的相位噪聲校準裝置有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。對毫米波頻率頻率源的測量方法都是采用上述的“微波下變頻法”，把毫米波頻段下變頻到射頻頻段，再采用基于“相位檢波法”的方法進行測量。E5052B／E5053A相噪測試系統采用的是諧波混頻器的方法來變頻，而PN9000、FSUP、FSWP系列選用了相噪性能較好的內置頻率源作為本振源來進行下變頻，各種變頻模式各有優缺點，但對毫米波超低相噪頻率源的變頻，目前現有系統的校準能力均存在局限性，表1針對現有相位噪聲測試系統在毫米波頻段的最佳校準能力進行了比較（不借助數字自相關處理的情況下）。由此可見，就毫米波超低相位噪聲測量校準方法而言，目前國內外的技術基本上是一樣的，采用的測試系統基本上也是知名公司的產品，差別在于校準裝置所采用的參考源或本振源的指標高低。采用傳統的頻率合成技術研制的頻率源，其相位噪聲指標的提升空間已很小，需要開展新的超低相位噪聲頻率產生技術的研究。近年來，隨著光電技術的發展，OEO由于其優良的超低相位噪聲特性、抗干擾性和抗振性，已越來越成為關注的焦點。從相噪指標看，OEO遠優于目前使用傳統微波頻率源，將其作為參考源或本振源，應用于相位噪聲校準裝置中，可以顯著提高裝置本省的校準能力，該裝置校準能力如表2所示。比較表1中所列的校準能力，可以看到，使用OEO建立的相位噪聲校準裝置具備明顯的指標優勢，能夠應對日趨提高的使用需求和計量需求。
2校準裝置工作原理
2．1毫米波超低相位噪聲校準裝置設計本裝置采用“微波變頻法”對毫米波頻段超低相噪噪聲頻率源的相位噪聲進行校準，在現有相位噪聲測試系統的基礎上，研究超低相位噪聲的微波下變頻器和基于光電振蕩原理的超低相位噪聲本振源，其工作原理如圖2所示。被測頻率源與超低相位噪聲本振源通過毫米波下變頻器進行下變頻，將變頻至1GHz左右的射頻信號，送入相位噪聲測試系統。該系統采用常規的“相位檢波法”進行相位噪聲測試，其中參考頻率源作為射頻參考源，其在1GHz載頻時的相位噪聲指標如表3所示。由表3可以看出，在射頻頻段參考源的指標遠遠高于毫米波頻段，只要保證被測頻率源變頻到射頻頻段時，用作本振的超低相位噪聲本振源的相位噪聲指標優于被測源指標10dB以上，變頻器引入的附加噪聲足夠小，則相位噪聲測試系統的校準結果就是被測毫米波超低噪聲率源的相位噪聲。
2．2毫米超低相位噪聲本振源研制為了使校準能力得到最大限度的提升，并結合研制周期及成本控制等多方面的考慮，測量更低的相位噪聲必須配備更好的超低相噪源作為本振源。結合傳統頻率源和光電振蕩器（OEO）的優缺點，本裝置提出了在遠端性能優良的頻率源相位噪聲測試中選用OEO作為本振源，而在測量近端（fm＝1Hz處）相噪性能優良的頻率源時則選用基于純電子技術的傳統頻率源外接高穩晶振后作為本振源的分段測試方法，從而使得該校準裝置能夠更加靈活、有效地適應各種相位噪聲指標的毫米波頻率源，滿足了市場需求。圖3為近端超低相位噪聲測試本振源連接框圖。本裝置遠端低相噪本振源采用一套20～40GHz寬頻段可調諧超低相位噪聲光電振蕩器，其原理如圖4所示。其基本組成部分包括：高效率低噪聲光電轉換單元、高效率低噪聲電光轉換單元、高Q值光學儲能及控制單元、低相噪微波控制單元、頻率調諧單元以及頻率穩定控制單元等。整個光電混合振蕩回路構成一個正反饋的諧振腔。OEO利用長光纖的高Q值儲能特性和低相噪微波控制單元的選模特性，將連續光變為穩定的、頻譜純度高的微波信號。
2．3毫米波超低相位噪聲校準裝置溯源方法的研究現有國家及國防計量標準的校準能力不能覆蓋本裝置的指標，因此毫米波超低相位噪聲校準裝置不能直接溯源至國家或國防計量標準，需采用分解溯源和能力比對的方法進行溯源。首先，將毫米波超低相位噪聲校準裝置中的現有相位噪聲測試系統獨立出來，在低頻段上溯源至國家或國防計量標準上，確保在中頻上的測量結果準確可靠。然后，按圖5所示，用一臺實現原理、工藝和技術指標與毫米波超低相位噪聲本振源一致的源作為被測件，通過毫米波下變頻組件進行下變頻，輸出1GHz以下的射頻信號。用經溯源的相位噪聲測試系統進行相位噪聲測試，測試結果為被測源、本振源和下變頻組件三者相位噪聲的疊加。由于被測源和本振源指標相當，下變頻的附加相噪遠低于被測件的相位噪聲，所以測試結果減3dB，即為毫米波超低相位噪聲校準裝置的相位噪聲測量能力。為了進一步對毫米波超低相位噪聲校準裝置相位噪聲測試準確度進行驗證，可以在國家或國防計量標準的能力范圍內，和國家或國防計量標準進行比對。用一臺20～40GHz的毫米波信號源作為被測件，分別用本裝置和國防最高計量標準進行比對測試，比對測量結果的差值應小于本裝置的測量擴展不確定度。
3校準裝置的指標驗證
本節主要闡述校準裝置中相位噪聲測試系統、毫米波下變頻組件、毫米波本振指標的實驗驗證，最后再對整個校準裝置進行指標驗證。
3．1相位噪聲測試系統的相位噪聲靈敏度驗證本裝置利用現有相位噪聲測試系統對中頻信號進行測試，選用的相位噪聲測試系統在中頻頻率的相位噪聲靈敏度必須優于校準裝置的相位噪聲底。本裝置可選用的相位噪聲測試系統有E5052B及E5504B兩種。1）E5504B的相位噪聲靈敏度驗證E5504B分為測試裝置和參考源兩部分，對測試裝置的相位噪聲靈敏度進行測試的原理框圖如圖6所示，設置E8257D輸出頻率為600MHz，幅度為20dBm，精確調節移相器使進入測試裝置的信號正交。相位噪聲靈敏度測試數據如圖7所示。使用E5504B測試參考源E8663D在600MHz頻率上的相位噪聲，測試數據如圖8所示。將上述測得結果和校準裝置的指標要求相比較，如表4所示。E5504B相位噪聲測試系統整體指標受到參考源相位噪聲的限制，在偏置頻率1kHz以上，參考源E8663D的相位噪聲達不到校準裝置的指標要求。2）E5052B的相位噪聲靈敏度驗證測試E5052B相位噪聲測試系統在600MHz頻偏的底噪，測試原理如圖9所示，測試數據如圖10所示。E5052B相位噪聲靈敏度和校準裝置要求如表5所示。可見，E5052B可以滿足校準裝置指標要求。根據實驗結果，使用E5052B作為本裝置的相位噪聲測試系統。
3．2毫米波下變頻組件的指標驗證毫米波下變頻組件常溫指標驗證試驗連線框圖如圖11所示。設置合成信號源為不同的頻率、幅度，測量中頻輸出的頻率、幅度和相位噪聲，結果如表6、表7所示。毫米波下變頻組件附加相位噪聲測試連接框圖如圖12所示。設置第一臺合成信號源E8257D的頻率為40GHz，幅度為16dBm；設置第二臺合成信號源E8257D的頻率為39．4GHz，幅度為20dBm；測試毫米波下變頻組件附加相位噪聲，結果如圖13所示。比較毫米波下變頻組件和校準裝置指標要求如表8所示，毫米波下變頻組件的附加相位噪聲低于校準裝置設計相噪靈敏度度指標，滿足本項目指標要求。
3．3毫米波本振源的指標驗證按圖14連接毫米波下變頻本振和頻譜分析儀，設置毫米波下變頻本振的頻率為20、20．001、30、30．001，39．999和40GHz，用頻譜分析儀測量其輸出信號的頻率和幅度。測試結果如表9所示。按圖15連接毫米波超低相位噪聲本振源、毫米波超低相位噪聲頻率源、毫米波超低相位噪聲下變頻組件和相位噪聲測試系統。設置毫米波超低相噪頻率源的頻率為20．6GHz，設置毫米波超低相位噪聲本振源的頻率為20GHz，使用E5052B測試兩者混頻后的中頻信號的相位噪聲，結果如圖16所示。設置毫米波超低相噪頻率源的頻率為39．4GHz，設置毫米波超低相位噪聲本振源的頻率為40GHz，使用E5052B測試兩者混頻后的中頻信號的相位噪聲，結果如圖17所示。上述測量結果減去3dB即為毫米波超低相位噪聲本振源的相位噪聲測量結果，測量結果滿足設計要求。
3．4校準裝置整體指標驗證使用一臺E8257D作為傳遞源，利用本項目研制的校準裝置測試其26GHz輸出時的相位噪聲，再用E5504B相位噪聲測試系統測試其相位噪聲，比較兩組的測量結果，差值小于本項目研制的校準裝置的不確定度則通過驗證。本校準裝置測試結果如表10所示。經過對校準裝置的指標驗證試驗，校準裝置的測試數據滿足指標要求。
4校準裝置不確定度分析
4．1測量方法本校準裝置的測量方法是利用毫米波下變頻組件BT2200C和毫米波超低相位噪聲本振源AV2040EO將被測毫米波信號下變頻至600MHz左右，再接入相位噪聲測試系統E5052B進行測量。
4．2測量不確定度的來源1）相位噪聲測試系統自身測量不準引入的不確定度分量；2）毫米波下變頻組件引入的不確定度分量；3）毫米波本振源引入的不確定度分量；4）信號失配引入的不確定度分量；5）射頻參考源引入的不確定度分量；6）測量重復性引入的不確定度分量。
4．3測量不確定度的評定1）相位噪聲測試系統自身測量不準引入的不確定度分量經過校準后，在偏置頻率＜1MHz時，E5052B的擴展不確定度為2．4dB；在偏置頻率≥1MHz時，E5052B的擴展不確定度為4．8dB，k＝2，則合成標準不確定度為：2）毫米波下變頻組件引入的不確定度分量實測毫米波下變頻組件的附加相位噪聲，將結果和毫米波本振源相位噪聲比較，可見毫米波下變頻組件的附加相位噪聲遠小于毫米波本振源的相位噪聲，因此毫米波下變頻組件引入的不確定度分量可以忽略不計。3）毫米波本振源引入的不確定度分量當本振信號相位噪聲優于被測信號相位噪聲10dB時，該引入量的最大誤差為±0．4dB。假設在區間內均勻分布，置信概率為100％，包含因子3，則標準不確定度采用B類評定方法進行評定：4）信號失配引入的不確定度分量信號失配引入的不確定度，由儀器說明書及實驗數據知，其引入的最大誤差為±0．2dB。假設在區間內反正弦分布，置信概率為100％，包含因子2，則標準不確定度采用B類評定方法進行評定：5）射頻參考源引入的不確定度分量E5052B內部使用兩路參考源分別進行正交鑒相后，在作互相關處理，可以有效消除參考源引入的不確定度，因此，參考源引入的不確定度分量可以忽略不計。6）測量重復性引入的不確定度分量利用本裝置測量低相噪合成信號源E8257D的相位噪聲，測試頻率為40GHz，偏置頻率取10kHz和10MHz，10次測量值如下表：取單次測量值作為測量結果時，u61＝s（y）＝0．86dBu62＝s（y）＝0．62dB7）合成標準不確定度1）偏置頻率fm＜1MHz時：
5結論
現代通信技術、電子對抗技術等領域對振蕩器等頻率源的頻率穩定度及頻譜純度提出了越來越高的要求，頻率源相位噪聲的表征和測量在振蕩器性能的研究和測試中發揮著越來越重要的作用。本裝置旨在通過研究毫米波超低相位噪聲本振源及毫米波下變頻器，建立一套毫米波段超低相位噪聲頻率源校準裝置，解決毫米波超低相位噪聲測試受限于下變頻組件本振源相位噪聲指標，無法準確測得真實相噪性能的難題。校準方法及裝置的結構簡單，所需器件少，成本低，實用性強，可滿足當今民用、軍用市場對高性能高頻段頻率源測量的需求。
參考文獻
［2］霍力，董毅，婁采云，等．利用光電振蕩器實現10Gbit／sNRZ碼時鐘的直接提取和碼型轉換［J］．電子學報，2002，30（9）：1305－1307．
［3］高以智，婁采云，姚敏玉，等．用光電振蕩器提取幀時鐘實現4xlOGbit／sOTDM信號165km傳輸［J］．光子學報，2002，31（1）：30－32．
［5］江陽．光電振蕩器與參量放大的性能及應用研究［D］．天津：天津大學，2008．
［9］陳吉欣，周濤．光電振蕩器的相位噪聲特性［J］．紅外與激光工程，2008，37（5）：863－865．
［10］閻棟梁．相位噪聲測量技術的發展［J］．宇航計測技術，2006，26（5）：59－61．
［15］王穎．基于等效鑒相頻率的相位噪聲測量系統的研究［D］．西安：西安電子科技大學，2009．
［17］江陽，于晉龍，胡林等．光電振蕩器的性能及應用［J］．激光與光電學進展，2008，45（10）：39－45．
［21］孫素霞．相位噪聲測量方法及其研究［D］．西安：西安電子科技大學，2005．
［22］覃朝堅，黃敏．低相位噪聲信號光纖傳輸系統的研究與實現方案［J］．光通信技術，2007，31（2）：62－63．
［23］陳國龍．相位噪聲及其測試技術［J］．電子質量，2005：16－17.
作者：胡丹丹 單位：中國電子科技集團公司第十研究所