太赫兹相位噪声测量技术研究

2023-04-06阎栋梁夏振华沈婷梅

宇航计测技术 2023年1期

关键词：混频器振源赫兹

柳丹，阎栋梁，夏振华，沈婷梅，杨军

（北京无线电计量测试研究所，北京100039）

1 引言

太赫兹波是指频率在（0.1～10）THz 频谱范围内的电磁波，对应波长范围为3 mm～30 μm，太赫兹波在电磁波频谱中的位置如图1所示，介于毫米波与红外之间［1］，也称为亚毫米波或远红外光，处于从电子学向光子学的过渡区［2，3］。

图1 太赫兹波在电磁波频谱中的位置图Fig.1 Position of terahertz wave in electromagnetic wave spectrum

太赫兹波的长波段与微波毫米波相重合，短波段与红外线相重合，其在电磁波频谱中的特殊位置决定了它同时具有微波毫米波和光波的优点。与微波毫米波相比，太赫兹波频谱范围宽、波束窄，因此分辨率更高、信息容量更大，同时电子设备体积可以更小。与光波相比，太赫兹波的穿透性较强，具备全天候工作能力，更适用于雨雾、战场等极端环境，在精确制导、战术通信、激光武器系统和计量等领域具有广阔的应用前景［4-6］。

2 太赫兹相位噪声的计量需求与国内外现状

2.1 太赫兹雷达探测对相位噪声的计量需求

在同等约束条件下，与微波毫米波相比，太赫兹波雷达目标探测可以对目标实现更精细地分辨，能够获取目标细小结构和运动特征。太赫兹波的波长范围在亚毫米量级，而典型目标尺寸为米级，因此对于太赫兹波来说，典型探测目标属于电超大尺寸目标，雷达截面积（RCS）值更大，目标特征更为明显，太赫兹波与微波毫米波的目标回波强度差值可达（20～30）dB。雷达发射的太赫兹信号的相位噪声是决定太赫兹雷达性能的一个重要因素，较高的相位噪声叠加在信号上会降低雷达的目标能见度，或将目标淹没掉。雷达信号相位噪声性能越优异，意味着雷达的空间分辨率越好，对移动物体的速度读取也就越准确，太赫兹波雷达系统对发射和接收载波信号的质量提出了严格的要求。

2.2 太赫兹精确制导对相位噪声的计量需求

太赫兹探测制导技术是以太赫兹频段的电磁波为信息载体，通过接收雷达发送反射回的携带目标信息的太赫兹波信号，或直接接收目标自身辐射的太赫兹波，经过信息处理与分析获取目标运动与位置参数等信息，实现对目标进行识别和跟踪，同时，制导系统接收到目标信息后在信息的指引下“自我鞭策”飞向目标，最终完成目标杀伤损毁。相比较微波及红外探测设备，太赫兹制导技术可以解决微波设备末端交汇精度不够、等离子体鞘套影响瞄准点选择等问题，也可以避免红外探测设备气动热效应、对发动机喷焰和高温尾迹敏感等问题，通过太赫兹、红外复合制导，实现对目标本体的直接碰撞。太赫兹波信号的相位噪声直接影响导引头的制导精度，相位噪声性能决定目标的空间分辨率，影响打击精度。

2.3 太赫兹相位噪声测量技术国内外现状

随着太赫兹波测量技术的提高和太赫兹器件的发展，国际计量界都在积极探索太赫兹波相位噪声测量技术。美国NIST 建立了（550～725）GHz 太赫兹波段相位噪声测量系统，其670 GHz 太赫兹相位噪声测量系统的底部噪声可以达到-60 dBc／Hz＠10 kHz，如图2所示［7，8］。目前，NIST 正在进行850 GHz及1.05 THz相位噪声测量系统的研制。

图2 NIST 670 GHz 太赫兹波相位噪声测量系统底部噪声曲线图Fig.2 670 GHz phase noise measurement system noise floor noise of NIST

国内常用的相位噪声测量系统型号包括HP3048A、E5500 系列、E5052 系列、PN9000、FSUP 及FSWP 等，分布在航天、航空、电子、兵器、邮电等各领域，目前国内相位噪声标准最高频率为110 GHz，对于频率在110 GHz 以上的太赫兹波相位噪声的测量通常是通过低频相位噪声测量系统通过递推估值算法实现，测量不确定度较大。

3 太赫兹波相位噪声测量系统实现方案

3.1 太赫兹高阶谐波混频

在太赫兹频段，高频率、高性能的太赫兹本振源不仅成本高而且设计难度大，使得采用基波混频方式实现太赫兹信号频率变换在实际中难以做到，而谐波混频技术只需使用本振频率为射频频率1／2或1／4 乃至更低频率的本振源即可实现混频器的变频功能，降低了对本振频率的要求，能有效降低本振源成本和设计难度。

太赫兹谐波混频器下变频原理如图3所示，本振输入信号频率是射频输入频率的1／N，其中N是谐波次数，根据谐波混频器的频段选择本振谐波次数，调节本振谐波功率满足谐波混频器要求并使得谐波混频器工作在最优指标，对于N次谐波混频，中频输出频率为fIF＝｜fRF-N×fLO｜。

图3 太赫兹谐波混频器下变频原理框图Fig.3 Down conversion principle block diagram of terahertz harmonic mixer

基于太赫兹高阶谐波混频原理的太赫兹相位噪声测量系统如图4所示。

图4 （110～500）GHz 太赫兹相位噪声测量系统原理框图Fig.4 Block diagram of phase noise measurement setup for（110～500）GHz source

被测太赫兹波通过波导连接至谐波混频器的射频输入端，低相噪微波本振源通过低噪声参考链激励梳状发生器产生梳状谱序列，利用YIG 锁相滤波提取梳状谱线后作为低相噪微波本振源输出，微波本振源输出频率范围为（8～16）GHz。低相噪微波本振源的高次谐波与被测太赫兹源进行混频，下变频后得到的中频信号在DC～1 GHz 内，低相噪微波本振源中的低噪声参考链中输出的100 MHz 信号作为数字相位噪声测量系统的参考信号，测量得到中频信号的相位噪声即被测太赫兹波的相位噪声。

根据目前高次谐波混频器的工作频段，（110～500）GHz 太赫兹相位噪声测量系统将工作频段主要分为四个频段来进行，分别为（110～170）GHz，（140～220）GHz，（220～325）GHz，（325～500）GHz。

3.2 太赫兹谐波混频链路间弱中频信号提取

太赫兹相位噪声测量系统通过高次太赫兹谐波混频器将被测太赫兹频率下变频至中频范围内，由于被测太赫兹频率源的输出功率普遍不高，一般在（ -10～＋5）dBm 之间，而且由于太赫兹谐波混频器的插入损耗在（30～90）dB 之间，因此经过下变频后，中频输出信号的幅度很小，无法达到相位噪声测量模块的最小功率输入，同时使得相位噪声测量模块接收前端的信噪比变差，底部噪声恶化。

在太赫兹高次谐波变频后通过四级放大器进行级联放大，采用高增益低噪声放大器实现对中频信号的放大补偿，设计方案如图5所示。按照级联放大器的噪声贡献分析，第一级放大器的底部噪声对整体放大器的底部噪声影响最大，所以第一级放大器的增益为40 dB，而且第一级放大器是通过三极管对管的并联放大，目的就是进一步减小放大器的等效输入阻抗，等效输入阻抗减小会进一步优化整体放大器的底部噪声。另外，整体级联放大器的增益平坦度需要进行控制，要求以中频频率为中心频率f0，±10 %f0带宽内的增益平坦度优于0.3 dB。对增益平坦度影响较大的是后两级放大器，在调试时，需要在级间加入适当的π 衰来进行平坦度的调整。

图5 高增益级联程控放大电路原理框图Fig.5 Principle block diagram of high-gain cascade programmable amplifier circuit

中频信号增益补偿效果如图6 和图7所示。

图6 中频信号放大效果图（载波频率110 GHz）Fig.6 IF signal before and after amplification at 110 GHz carrier

图7 中频信号放大效果图（载波频率325 GHz）Fig.7 IF signal before and after amplification at 325 GHz carrier

结果表明，通过级联程控中频放大电路进行中频增益补偿，中频放大后的信号的输出幅度明显得到提升。实际在放大调试过程中，需要注意两点，一点是近90 dB 的增益放大，不能造成中频信号的噪声变差，从图中可见，中频信号的信噪比在放大前后没有变差，这就要求在级联放大过程中，要保持高增益中频放大器的线性放大状态，通过级间的数控衰减器的调整来对线性状态进行控制；另一点是，中频信号的谐波会造成放大器的饱和，采取的措施是在级间加入中频信号的带通滤波器，级联放大过程中，始终保持中频信号频谱纯度。

4 太赫兹相位噪声测量装置底部噪声测试结果

相位噪声测量装置的噪声底部是除参考源外整个测量系统的测量能力的极限值，其测量对于评价整个测量系统的测量能力和每次测量结果的置信度至关重要。太赫兹相位噪声测量装置底部噪声测量框图如图8所示。

图8 （110～500）GHz 太赫兹相位噪声测量装置底部噪声测量框图Fig.8 Measurement block diagram of THz phase noise measurement system noise floor

太赫兹相位噪声测量系统的底部噪声主要由两部分构成，一部分来自于低相噪微波本振源的噪声，另一部分来源于太赫兹谐波混频器的附加相位噪声。如图8所示，将低相噪本振源的10 MHz 连接至被测太赫兹波的时基输入，使得被测太赫兹波和低相噪微波本振源共源，理论上讲，公共信号源的噪声通过两个支路加到相位检波器后将被抵消，测量得到的功率谱密度就是太赫兹相位噪声测量装置的底部噪声。太赫兹相位噪声测量系统测量范围为（110～500）GHz，其底部噪声在载波500 GHz 时可以达到-77 dBc／Hz＠10 kHz，如表1 和图9所示。