測量微波信號發(fā)生器輸出的相位噪聲是評估其頻率穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)，需結(jié)合專業(yè)儀器與科學(xué)方法。以下是分步驟的詳細(xì)測量方案及技術(shù)要點(diǎn)：

一、測量原理與核心指標(biāo)

相位噪聲是信號頻率短期穩(wěn)定性的頻域表征，定義為單位帶寬內(nèi)相位起伏的功率譜密度，單位為dBc/Hz（相對于載波的分貝值）。測量需覆蓋近端（<10kHz偏移）和遠(yuǎn)端（>10kHz偏移）頻段，分別反映振蕩器（如YIG、VCO）和電源噪聲的影響。

二、常用測量方法對比

三、分步驟測量流程

1. 直接頻譜法（快速篩查）

• 儀器配置：
  • 微波信號發(fā)生器（如Keysight E8257D）輸出載波（如10GHz）。
  • 頻譜分析儀（如Keysight N9030B PXA）設(shè)置為零跨度模式（Zero Span），分辨率帶寬（RBW）設(shè)為1Hz~10kHz，視頻帶寬（VBW）≤RBW/3。
  • 連接信號發(fā)生器輸出至頻譜分析儀輸入端，使用低損耗同軸電纜（如1m RG402電纜，損耗≤0.5dB@10GHz）。
• 測量步驟：

  1. 信號發(fā)生器輸出功率設(shè)為0dBm（避免頻譜儀前端壓縮）。

  2. 頻譜儀中心頻率設(shè)為載波頻率（10GHz），掃描時(shí)間≥10ms/Hz（確保相位噪聲測量穩(wěn)定性）。

  3. 記錄偏移頻率（如1kHz、10kHz、100kHz）處的相位噪聲功率密度（單位：dBm/Hz）。

  4. 轉(zhuǎn)換為dBc/Hz：

其中 $ P_{text{carrier}} $ 為載波功率（dBm），$ P_{text{noise}}(f) $ 為偏移頻率 $ f $ 處的噪聲功率（dBm）。

• 典型結(jié)果：
  • 優(yōu)質(zhì)微波源在10kHz偏移處的相位噪聲應(yīng)≤-110dBc/Hz。

2. 相位比較法（高精度測量）

• 儀器配置：
  • 被測信號發(fā)生器（DUT）輸出載波（如10GHz）。
  • 低噪聲參考源（如Keysight 8267D，相位噪聲≤-130dBc/Hz@10kHz）。
  • 相位檢測器（如Keysight 11970W，帶寬≥100MHz）。
  • 低通濾波器（截止頻率≤1MHz，抑制高頻雜散）。
  • 頻譜分析儀（或動(dòng)態(tài)信號分析儀）測量濾波器輸出。
• 測量步驟：

  1. 將DUT和參考源輸出通過功率分配器（如Mini-Circuits ZX10-2-12-S+）合路，輸入相位檢測器。

  2. 調(diào)整DUT頻率使相位檢測器輸出直流電壓為零（相位鎖定）。

  3. 頻譜儀測量相位檢測器輸出的交流分量（即相位噪聲），RBW設(shè)為1Hz~10kHz。

  4. 扣除系統(tǒng)本底噪聲（通過斷開DUT輸入測量參考源噪聲）。

  5. 計(jì)算相位噪聲：

其中 $ P_{text{out}}(f) $ 為頻譜儀測得的噪聲功率（dBm/Hz），$ 20log_{10}(2) $ 為相位檢測器增益修正項(xiàng)。

• 典型結(jié)果：
  • 相位比較法可測量近端噪聲（如100Hz偏移處≤-100dBc/Hz），靈敏度比直接頻譜法高20dB以上。

3. 交叉相關(guān)法（超低噪聲測量）

• 儀器配置：
  • 兩套獨(dú)立測量系統(tǒng)（DUT+參考源+相位檢測器+低通濾波器）。
  • 交叉相關(guān)器（如Keysight E5505B）對兩路噪聲信號進(jìn)行相關(guān)處理。
  • 頻譜分析儀測量相關(guān)輸出。
• 測量步驟：
  1. 兩套系統(tǒng)同時(shí)測量DUT相位噪聲，輸出兩路獨(dú)立噪聲信號。
  2. 交叉相關(guān)器對兩路信號進(jìn)行乘法運(yùn)算并積分，抑制非相關(guān)噪聲（如儀器本底噪聲）。
  3. 頻譜儀測量相關(guān)輸出，RBW設(shè)為0.1Hz~1kHz（遠(yuǎn)低于直接測量帶寬）。
  4. 計(jì)算相位噪聲（需扣除相關(guān)器增益和系統(tǒng)損耗）。
• 典型結(jié)果：
  • 交叉相關(guān)法可將測量本底噪聲降低至-170dBc/Hz以下，適用于毫米波源（如30GHz~110GHz）的相位噪聲測量。

四、關(guān)鍵注意事項(xiàng)

1. 阻抗匹配：
   • 使用匹配良好的同軸連接器（如2.92mm或1.85mm接頭），避免反射導(dǎo)致測量誤差（VSWR≤1.2:1）。
2. 功率控制：
   • 信號發(fā)生器輸出功率設(shè)為0dBm±1dB（避免頻譜儀前端壓縮或噪聲地板升高）。
3. 環(huán)境隔離：
   • 測量在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行，溫度穩(wěn)定度≤±1℃，振動(dòng)≤0.01g（防止機(jī)械振動(dòng)引入相位噪聲）。
4. 校準(zhǔn)驗(yàn)證：
   • 定期使用已知相位噪聲的參考源（如Wenzel Ultra Low Noise Oscillator）驗(yàn)證測量系統(tǒng)準(zhǔn)確性。

五、應(yīng)用案例

• 5G基站測試：
  測量28GHz載波的相位噪聲，確保在100kHz偏移處≤-105dBc/Hz，滿足3GPP標(biāo)準(zhǔn)要求。
• 雷達(dá)系統(tǒng)：
  測量X波段（9GHz）信號發(fā)生器的相位噪聲，在1kHz偏移處≤-115dBc/Hz，提升雷達(dá)距離分辨率。
• 原子鐘評估：
  測量10MHz微波源的相位噪聲，在1Hz偏移處≤-140dBc/Hz，驗(yàn)證原子鐘短期穩(wěn)定性。