OEO的毫米波超低相位噪聲校準(zhǔn)裝置范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了OEO的毫米波超低相位噪聲校準(zhǔn)裝置參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫(xiě)作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：毫米波頻率源的相位噪聲性能在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越受到重視，需要開(kāi)展對(duì)該頻段超低相位噪聲參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)的研究。分析了國(guó)內(nèi)外低相位噪聲校準(zhǔn)技術(shù)的現(xiàn)狀，提出了一種基于光電振蕩器（oeo）的相位噪聲校準(zhǔn)技術(shù)，并使用該技術(shù)建立了一套毫米波超低相位噪聲校準(zhǔn)裝置，解決了毫米波超低相位噪聲校準(zhǔn)能力受限于本振源相位噪聲指標(biāo)，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得低相噪頻率源真實(shí)相噪性能的難題。

關(guān)鍵詞：相位噪聲；光電振蕩器；本振源；校準(zhǔn)

引言

現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中，率先發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并進(jìn)行超視距攻擊是克敵制勝的法寶。隨著隱身技術(shù)的發(fā)展，許多先進(jìn)作戰(zhàn)飛機(jī)雷達(dá)所具備的偵察及反偵察能力也越來(lái)越高，不僅僅是因?yàn)檫@些飛機(jī)具有超音速的巡航速度，更重要的是其對(duì)雷達(dá)偵察信號(hào)的反射信號(hào)非常小，如果偵察雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的邊帶噪聲很大，則在距離目標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí)，目標(biāo)的反射信號(hào)已淹沒(méi)在偵察信號(hào)的邊帶噪聲中，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的幾率就大大降低，導(dǎo)致雷達(dá)識(shí)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(dá)發(fā)射信號(hào)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(huì)伴隨整個(gè)通信過(guò)程，在解調(diào)終端，a相位噪聲指標(biāo)的惡化會(huì)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(hào)傳輸信噪比、通信誤碼率及通信質(zhì)量；在軍事應(yīng)用中，雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)識(shí)別分辨率也與相位噪聲密切相關(guān)。因此，頻率源的相位噪聲性能在微波應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越受到重視，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)和設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)。與傳統(tǒng)的微波振蕩器相比，光電振蕩器（OEO）利用調(diào)制器和光纖低損耗的特性將連續(xù)光轉(zhuǎn)換為頻率穩(wěn)定的、高頻譜純度的、低相位噪聲的微波信號(hào)。由于光電振蕩器的諸多優(yōu)點(diǎn)，光電振蕩器在科技和工程中應(yīng)用得越來(lái)越廣泛。為了測(cè)試和精確表征振蕩器的性能，超低相位噪聲測(cè)量技術(shù)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

1相位噪聲校準(zhǔn)技術(shù)現(xiàn)狀

超低相位噪聲頻率源的出現(xiàn)，給相位噪聲的計(jì)量帶來(lái)了挑戰(zhàn)。目前相位噪聲測(cè)試一般是采用“相位檢波器”法，對(duì)于毫米波頻段頻率源的校準(zhǔn)，主要采用“微波下變頻法”，原理如圖1所示。目前市面上應(yīng)用廣泛的相位噪聲校準(zhǔn)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(duì)毫米波頻率頻率源的測(cè)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(jìn)行測(cè)量。E5052B／E5053A相噪測(cè)試系統(tǒng)采用的是諧波混頻器的方法來(lái)變頻，而PN9000、FSUP、FSWP系列選用了相噪性能較好的內(nèi)置頻率源作為本振源來(lái)進(jìn)行下變頻，各種變頻模式各有優(yōu)缺點(diǎn)，但對(duì)毫米波超低相噪頻率源的變頻，目前現(xiàn)有系統(tǒng)的校準(zhǔn)能力均存在局限性，表1針對(duì)現(xiàn)有相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)在毫米波頻段的最佳校準(zhǔn)能力進(jìn)行了比較（不借助數(shù)字自相關(guān)處理的情況下）。由此可見(jiàn)，就毫米波超低相位噪聲測(cè)量校準(zhǔn)方法而言，目前國(guó)內(nèi)外的技術(shù)基本上是一樣的，采用的測(cè)試系統(tǒng)基本上也是知名公司的產(chǎn)品，差別在于校準(zhǔn)裝置所采用的參考源或本振源的指標(biāo)高低。采用傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)研制的頻率源，其相位噪聲指標(biāo)的提升空間已很小，需要開(kāi)展新的超低相位噪聲頻率產(chǎn)生技術(shù)的研究。近年來(lái)，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，OEO由于其優(yōu)良的超低相位噪聲特性、抗干擾性和抗振性，已越來(lái)越成為關(guān)注的焦點(diǎn)。從相噪指標(biāo)看，OEO遠(yuǎn)優(yōu)于目前使用傳統(tǒng)微波頻率源，將其作為參考源或本振源，應(yīng)用于相位噪聲校準(zhǔn)裝置中，可以顯著提高裝置本省的校準(zhǔn)能力，該裝置校準(zhǔn)能力如表2所示。比較表1中所列的校準(zhǔn)能力，可以看到，使用OEO建立的相位噪聲校準(zhǔn)裝置具備明顯的指標(biāo)優(yōu)勢(shì)，能夠應(yīng)對(duì)日趨提高的使用需求和計(jì)量需求。

2校準(zhǔn)裝置工作原理

2．1毫米波超低相位噪聲校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)本裝置采用“微波變頻法”對(duì)毫米波頻段超低相噪噪聲頻率源的相位噪聲進(jìn)行校準(zhǔn)，在現(xiàn)有相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(cè)頻率源與超低相位噪聲本振源通過(guò)毫米波下變頻器進(jìn)行下變頻，將變頻至1GHz左右的射頻信號(hào)，送入相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用常規(guī)的“相位檢波法”進(jìn)行相位噪聲測(cè)試，其中參考頻率源作為射頻參考源，其在1GHz載頻時(shí)的相位噪聲指標(biāo)如表3所示。由表3可以看出，在射頻頻段參考源的指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于毫米波頻段，只要保證被測(cè)頻率源變頻到射頻頻段時(shí)，用作本振的超低相位噪聲本振源的相位噪聲指標(biāo)優(yōu)于被測(cè)源指標(biāo)10dB以上，變頻器引入的附加噪聲足夠小，則相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)結(jié)果就是被測(cè)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(zhǔn)能力得到最大限度的提升，并結(jié)合研制周期及成本控制等多方面的考慮，測(cè)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(jié)合傳統(tǒng)頻率源和光電振蕩器（OEO）的優(yōu)缺點(diǎn)，本裝置提出了在遠(yuǎn)端性能優(yōu)良的頻率源相位噪聲測(cè)試中選用OEO作為本振源，而在測(cè)量近端（fm＝1Hz處）相噪性能優(yōu)良的頻率源時(shí)則選用基于純電子技術(shù)的傳統(tǒng)頻率源外接高穩(wěn)晶振后作為本振源的分段測(cè)試方法，從而使得該校準(zhǔn)裝置能夠更加靈活、有效地適應(yīng)各種相位噪聲指標(biāo)的毫米波頻率源，滿足了市場(chǎng)需求。圖3為近端超低相位噪聲測(cè)試本振源連接框圖。本裝置遠(yuǎn)端低相噪本振源采用一套20～40GHz寬頻段可調(diào)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(zhuǎn)換單元、高效率低噪聲電光轉(zhuǎn)換單元、高Q值光學(xué)儲(chǔ)能及控制單元、低相噪微波控制單元、頻率調(diào)諧單元以及頻率穩(wěn)定控制單元等。整個(gè)光電混合振蕩回路構(gòu)成一個(gè)正反饋的諧振腔。OEO利用長(zhǎng)光纖的高Q值儲(chǔ)能特性和低相噪微波控制單元的選模特性，將連續(xù)光變?yōu)榉€(wěn)定的、頻譜純度高的微波信號(hào)。

2．3毫米波超低相位噪聲校準(zhǔn)裝置溯源方法的研究現(xiàn)有國(guó)家及國(guó)防計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)能力不能覆蓋本裝置的指標(biāo)，因此毫米波超低相位噪聲校準(zhǔn)裝置不能直接溯源至國(guó)家或國(guó)防計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，需采用分解溯源和能力比對(duì)的方法進(jìn)行溯源。首先，將毫米波超低相位噪聲校準(zhǔn)裝置中的現(xiàn)有相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)獨(dú)立出來(lái)，在低頻段上溯源至國(guó)家或國(guó)防計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)上，確保在中頻上的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。然后，按圖5所示，用一臺(tái)實(shí)現(xiàn)原理、工藝和技術(shù)指標(biāo)與毫米波超低相位噪聲本振源一致的源作為被測(cè)件，通過(guò)毫米波下變頻組件進(jìn)行下變頻，輸出1GHz以下的射頻信號(hào)。用經(jīng)溯源的相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行相位噪聲測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為被測(cè)源、本振源和下變頻組件三者相位噪聲的疊加。由于被測(cè)源和本振源指標(biāo)相當(dāng)，下變頻的附加相噪遠(yuǎn)低于被測(cè)件的相位噪聲，所以測(cè)試結(jié)果減3dB，即為毫米波超低相位噪聲校準(zhǔn)裝置的相位噪聲測(cè)量能力。為了進(jìn)一步對(duì)毫米波超低相位噪聲校準(zhǔn)裝置相位噪聲測(cè)試準(zhǔn)確度進(jìn)行驗(yàn)證，可以在國(guó)家或國(guó)防計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的能力范圍內(nèi)，和國(guó)家或國(guó)防計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)。用一臺(tái)20～40GHz的毫米波信號(hào)源作為被測(cè)件，分別用本裝置和國(guó)防最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，比對(duì)測(cè)量結(jié)果的差值應(yīng)小于本裝置的測(cè)量擴(kuò)展不確定度。

3校準(zhǔn)裝置的指標(biāo)驗(yàn)證

本節(jié)主要闡述校準(zhǔn)裝置中相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)、毫米波下變頻組件、毫米波本振指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后再對(duì)整個(gè)校準(zhǔn)裝置進(jìn)行指標(biāo)驗(yàn)證。

3．1相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)的相位噪聲靈敏度驗(yàn)證本裝置利用現(xiàn)有相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，選用的相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)在中頻頻率的相位噪聲靈敏度必須優(yōu)于校準(zhǔn)裝置的相位噪聲底。本裝置可選用的相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)有E5052B及E5504B兩種。1）E5504B的相位噪聲靈敏度驗(yàn)證E5504B分為測(cè)試裝置和參考源兩部分，對(duì)測(cè)試裝置的相位噪聲靈敏度進(jìn)行測(cè)試的原理框圖如圖6所示，設(shè)置E8257D輸出頻率為600MHz，幅度為20dBm，精確調(diào)節(jié)移相器使進(jìn)入測(cè)試裝置的信號(hào)正交。相位噪聲靈敏度測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7所示。使用E5504B測(cè)試參考源E8663D在600MHz頻率上的相位噪聲，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖8所示。將上述測(cè)得結(jié)果和校準(zhǔn)裝置的指標(biāo)要求相比較，如表4所示。E5504B相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)整體指標(biāo)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(dá)不到校準(zhǔn)裝置的指標(biāo)要求。2）E5052B的相位噪聲靈敏度驗(yàn)證測(cè)試E5052B相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)在600MHz頻偏的底噪，測(cè)試原理如圖9所示，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖10所示。E5052B相位噪聲靈敏度和校準(zhǔn)裝置要求如表5所示。可見(jiàn)，E5052B可以滿足校準(zhǔn)裝置指標(biāo)要求。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用E5052B作為本裝置的相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)。

3．2毫米波下變頻組件的指標(biāo)驗(yàn)證毫米波下變頻組件常溫指標(biāo)驗(yàn)證試驗(yàn)連線框圖如圖11所示。設(shè)置合成信號(hào)源為不同的頻率、幅度，測(cè)量中頻輸出的頻率、幅度和相位噪聲，結(jié)果如表6、表7所示。毫米波下變頻組件附加相位噪聲測(cè)試連接框圖如圖12所示。設(shè)置第一臺(tái)合成信號(hào)源E8257D的頻率為40GHz，幅度為16dBm；設(shè)置第二臺(tái)合成信號(hào)源E8257D的頻率為39．4GHz，幅度為20dBm；測(cè)試毫米波下變頻組件附加相位噪聲，結(jié)果如圖13所示。比較毫米波下變頻組件和校準(zhǔn)裝置指標(biāo)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(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)相噪靈敏度度指標(biāo)，滿足本項(xiàng)目指標(biāo)要求。

3．3毫米波本振源的指標(biāo)驗(yàn)證按圖14連接毫米波下變頻本振和頻譜分析儀，設(shè)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(cè)量其輸出信號(hào)的頻率和幅度。測(cè)試結(jié)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(cè)試系統(tǒng)。設(shè)置毫米波超低相噪頻率源的頻率為20．6GHz，設(shè)置毫米波超低相位噪聲本振源的頻率為20GHz，使用E5052B測(cè)試兩者混頻后的中頻信號(hào)的相位噪聲，結(jié)果如圖16所示。設(shè)置毫米波超低相噪頻率源的頻率為39．4GHz，設(shè)置毫米波超低相位噪聲本振源的頻率為40GHz，使用E5052B測(cè)試兩者混頻后的中頻信號(hào)的相位噪聲，結(jié)果如圖17所示。上述測(cè)量結(jié)果減去3dB即為毫米波超低相位噪聲本振源的相位噪聲測(cè)量結(jié)果，測(cè)量結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

3．4校準(zhǔn)裝置整體指標(biāo)驗(yàn)證使用一臺(tái)E8257D作為傳遞源，利用本項(xiàng)目研制的校準(zhǔn)裝置測(cè)試其26GHz輸出時(shí)的相位噪聲，再用E5504B相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試其相位噪聲，比較兩組的測(cè)量結(jié)果，差值小于本項(xiàng)目研制的校準(zhǔn)裝置的不確定度則通過(guò)驗(yàn)證。本校準(zhǔn)裝置測(cè)試結(jié)果如表10所示。經(jīng)過(guò)對(duì)校準(zhǔn)裝置的指標(biāo)驗(yàn)證試驗(yàn)，校準(zhǔn)裝置的測(cè)試數(shù)據(jù)滿足指標(biāo)要求。

4校準(zhǔn)裝置不確定度分析

4．1測(cè)量方法本校準(zhǔn)裝置的測(cè)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(cè)毫米波信號(hào)下變頻至600MHz左右，再接入相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)E5052B進(jìn)行測(cè)量。

4．2測(cè)量不確定度的來(lái)源1）相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)自身測(cè)量不準(zhǔn)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(hào)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(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量。

4．3測(cè)量不確定度的評(píng)定1）相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)自身測(cè)量不準(zhǔn)引入的不確定度分量經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后，在偏置頻率＜1MHz時(shí)，E5052B的擴(kuò)展不確定度為2．4dB；在偏置頻率≥1MHz時(shí)，E5052B的擴(kuò)展不確定度為4．8dB，k＝2，則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：2）毫米波下變頻組件引入的不確定度分量實(shí)測(cè)毫米波下變頻組件的附加相位噪聲，將結(jié)果和毫米波本振源相位噪聲比較，可見(jiàn)毫米波下變頻組件的附加相位噪聲遠(yuǎn)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(jì)。3）毫米波本振源引入的不確定度分量當(dāng)本振信號(hào)相位噪聲優(yōu)于被測(cè)信號(hào)相位噪聲10dB時(shí)，該引入量的最大誤差為±0．4dB。假設(shè)在區(qū)間內(nèi)均勻分布，置信概率為100％，包含因子3，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度采用B類評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定：4）信號(hào)失配引入的不確定度分量信號(hào)失配引入的不確定度，由儀器說(shuō)明書(shū)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)知，其引入的最大誤差為±0．2dB。假設(shè)在區(qū)間內(nèi)反正弦分布，置信概率為100％，包含因子2，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度采用B類評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定：5）射頻參考源引入的不確定度分量E5052B內(nèi)部使用兩路參考源分別進(jìn)行正交鑒相后，在作互相關(guān)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(jì)。6）測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量利用本裝置測(cè)量低相噪合成信號(hào)源E8257D的相位噪聲，測(cè)試頻率為40GHz，偏置頻率取10kHz和10MHz，10次測(cè)量值如下表：取單次測(cè)量值作為測(cè)量結(jié)果時(shí)，u61＝s（y）＝0．86dBu62＝s（y）＝0．62dB7）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度1）偏置頻率fm＜1MHz時(shí)：

5結(jié)論

現(xiàn)代通信技術(shù)、電子對(duì)抗技術(shù)等領(lǐng)域?qū)φ袷幤鞯阮l率源的頻率穩(wěn)定度及頻譜純度提出了越來(lái)越高的要求，頻率源相位噪聲的表征和測(cè)量在振蕩器性能的研究和測(cè)試中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本裝置旨在通過(guò)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(zhǔn)裝置，解決毫米波超低相位噪聲測(cè)試受限于下變頻組件本振源相位噪聲指標(biāo)，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得真實(shí)相噪性能的難題。校準(zhǔn)方法及裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需器件少，成本低，實(shí)用性強(qiáng)，可滿足當(dāng)今民用、軍用市場(chǎng)對(duì)高性能高頻段頻率源測(cè)量的需求。

參考文獻(xiàn)

［2］霍力，董毅，婁采云，等．利用光電振蕩器實(shí)現(xiàn)10Gbit／sNRZ碼時(shí)鐘的直接提取和碼型轉(zhuǎn)換［J］．電子學(xué)報(bào)，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(shí)鐘實(shí)現(xiàn)4xlOGbit／sOTDM信號(hào)165km傳輸［J］．光子學(xué)報(bào)，2002，31（1）：30－32．

［5］江陽(yáng)．光電振蕩器與參量放大的性能及應(yīng)用研究［D］．天津：天津大學(xué)，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(cè)量技術(shù)的發(fā)展［J］．宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2006，26（5）：59－61．

［15］王穎．基于等效鑒相頻率的相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)的研究［D］．西安：西安電子科技大學(xué)，2009．

［17］江陽(yáng)，于晉龍，胡林等．光電振蕩器的性能及應(yīng)用［J］．激光與光電學(xué)進(jìn)展，2008，45（10）：39－45．

［21］孫素霞．相位噪聲測(cè)量方法及其研究［D］．西安：西安電子科技大學(xué)，2005．

［22］覃朝堅(jiān)，黃敏．低相位噪聲信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)方案［J］．光通信技術(shù)，2007，31（2）：62－63．

［23］陳國(guó)龍．相位噪聲及其測(cè)試技術(shù)［J］．電子質(zhì)量，2005：16－17.

作者：胡丹丹 單位：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所