太赫茲相位噪聲測量技術研究

柳 丹，閻棟梁，夏振華，沈婷梅，楊 軍

（北京無線電計量測試研究所，北京100039）

1 引言

太赫茲波是指頻率在（0.1～10）THz 頻譜范圍內的電磁波，對應波長范圍為3 mm～30 μm，太赫茲波在電磁波頻譜中的位置如圖1所示，介于毫米波與紅外之間［1］，也稱為亞毫米波或遠紅外光，處于從電子學向光子學的過渡區［2，3］。

圖1 太赫茲波在電磁波頻譜中的位置圖Fig.1 Position of terahertz wave in electromagnetic wave spectrum

太赫茲波的長波段與微波毫米波相重合，短波段與紅外線相重合，其在電磁波頻譜中的特殊位置決定了它同時具有微波毫米波和光波的優點。與微波毫米波相比，太赫茲波頻譜范圍寬、波束窄，因此分辨率更高、信息容量更大，同時電子設備體積可以更小。與光波相比，太赫茲波的穿透性較強，具備全天候工作能力，更適用于雨霧、戰場等極端環境，在精確制導、戰術通信、激光武器系統和計量等領域具有廣闊的應用前景［4-6］。

2 太赫茲相位噪聲的計量需求與國內外現狀

2.1 太赫茲雷達探測對相位噪聲的計量需求

在同等約束條件下，與微波毫米波相比，太赫茲波雷達目標探測可以對目標實現更精細地分辨，能夠獲取目標細小結構和運動特征。太赫茲波的波長范圍在亞毫米量級，而典型目標尺寸為米級，因此對于太赫茲波來說，典型探測目標屬于電超大尺寸目標，雷達截面積（RCS）值更大，目標特征更為明顯，太赫茲波與微波毫米波的目標回波強度差值可達（20～30）dB。雷達發射的太赫茲信號的相位噪聲是決定太赫茲雷達性能的一個重要因素，較高的相位噪聲疊加在信號上會降低雷達的目標能見度，或將目標淹沒掉。雷達信號相位噪聲性能越優異，意味著雷達的空間分辨率越好，對移動物體的速度讀取也就越準確，太赫茲波雷達系統對發射和接收載波信號的質量提出了嚴格的要求。

2.2 太赫茲精確制導對相位噪聲的計量需求

太赫茲探測制導技術是以太赫茲頻段的電磁波為信息載體，通過接收雷達發送反射回的攜帶目標信息的太赫茲波信號，或直接接收目標自身輻射的太赫茲波，經過信息處理與分析獲取目標運動與位置參數等信息，實現對目標進行識別和跟蹤，同時，制導系統接收到目標信息后在信息的指引下“自我鞭策”飛向目標，最終完成目標殺傷損毀。相比較微波及紅外探測設備，太赫茲制導技術可以解決微波設備末端交匯精度不夠、等離子體鞘套影響瞄準點選擇等問題，也可以避免紅外探測設備氣動熱效應、對發動機噴焰和高溫尾跡敏感等問題，通過太赫茲、紅外復合制導，實現對目標本體的直接碰撞。太赫茲波信號的相位噪聲直接影響導引頭的制導精度，相位噪聲性能決定目標的空間分辨率，影響打擊精度。

2.3 太赫茲相位噪聲測量技術國內外現狀

隨著太赫茲波測量技術的提高和太赫茲器件的發展，國際計量界都在積極探索太赫茲波相位噪聲測量技術。美國NIST 建立了（550～725）GHz 太赫茲波段相位噪聲測量系統，其670 GHz 太赫茲相位噪聲測量系統的底部噪聲可以達到-60 dBc／Hz＠10 kHz，如圖2所示［7，8］。目前，NIST 正在進行850 GHz及1.05 THz相位噪聲測量系統的研制。

圖2 NIST 670 GHz 太赫茲波相位噪聲測量系統底部噪聲曲線圖Fig.2 670 GHz phase noise measurement system noise floor noise of NIST

國內常用的相位噪聲測量系統型號包括HP3048A、E5500 系列、E5052 系列、PN9000、FSUP 及FSWP 等，分布在航天、航空、電子、兵器、郵電等各領域，目前國內相位噪聲標準最高頻率為110 GHz，對于頻率在110 GHz 以上的太赫茲波相位噪聲的測量通常是通過低頻相位噪聲測量系統通過遞推估值算法實現，測量不確定度較大。

3 太赫茲波相位噪聲測量系統實現方案

3.1 太赫茲高階諧波混頻

在太赫茲頻段，高頻率、高性能的太赫茲本振源不僅成本高而且設計難度大，使得采用基波混頻方式實現太赫茲信號頻率變換在實際中難以做到，而諧波混頻技術只需使用本振頻率為射頻頻率1／2或1／4 乃至更低頻率的本振源即可實現混頻器的變頻功能，降低了對本振頻率的要求，能有效降低本振源成本和設計難度。

太赫茲諧波混頻器下變頻原理如圖3所示，本振輸入信號頻率是射頻輸入頻率的1／N，其中N是諧波次數，根據諧波混頻器的頻段選擇本振諧波次數，調節本振諧波功率滿足諧波混頻器要求并使得諧波混頻器工作在最優指標，對于N次諧波混頻，中頻輸出頻率為fIF＝｜fRF-N×fLO｜。

圖3 太赫茲諧波混頻器下變頻原理框圖Fig.3 Down conversion principle block diagram of terahertz harmonic mixer

基于太赫茲高階諧波混頻原理的太赫茲相位噪聲測量系統如圖4所示。

圖4 （110～500）GHz 太赫茲相位噪聲測量系統原理框圖Fig.4 Block diagram of phase noise measurement setup for（110～500）GHz source

被測太赫茲波通過波導連接至諧波混頻器的射頻輸入端，低相噪微波本振源通過低噪聲參考鏈激勵梳狀發生器產生梳狀譜序列，利用YIG 鎖相濾波提取梳狀譜線后作為低相噪微波本振源輸出，微波本振源輸出頻率范圍為（8～16）GHz。低相噪微波本振源的高次諧波與被測太赫茲源進行混頻，下變頻后得到的中頻信號在DC～1 GHz 內，低相噪微波本振源中的低噪聲參考鏈中輸出的100 MHz 信號作為數字相位噪聲測量系統的參考信號，測量得到中頻信號的相位噪聲即被測太赫茲波的相位噪聲。

根據目前高次諧波混頻器的工作頻段，（110～500）GHz 太赫茲相位噪聲測量系統將工作頻段主要分為四個頻段來進行，分別為（110～170）GHz，（140～220）GHz，（220～325）GHz，（325～500）GHz。

3.2 太赫茲諧波混頻鏈路間弱中頻信號提取

太赫茲相位噪聲測量系統通過高次太赫茲諧波混頻器將被測太赫茲頻率下變頻至中頻范圍內，由于被測太赫茲頻率源的輸出功率普遍不高，一般在（ -10～＋5）dBm 之間，而且由于太赫茲諧波混頻器的插入損耗在（30～90）dB 之間，因此經過下變頻后，中頻輸出信號的幅度很小，無法達到相位噪聲測量模塊的最小功率輸入，同時使得相位噪聲測量模塊接收前端的信噪比變差，底部噪聲惡化。

在太赫茲高次諧波變頻后通過四級放大器進行級聯放大，采用高增益低噪聲放大器實現對中頻信號的放大補償，設計方案如圖5所示。按照級聯放大器的噪聲貢獻分析，第一級放大器的底部噪聲對整體放大器的底部噪聲影響最大，所以第一級放大器的增益為40 dB，而且第一級放大器是通過三極管對管的并聯放大，目的就是進一步減小放大器的等效輸入阻抗，等效輸入阻抗減小會進一步優化整體放大器的底部噪聲。另外，整體級聯放大器的增益平坦度需要進行控制，要求以中頻頻率為中心頻率f0，±10 %f0帶寬內的增益平坦度優于0.3 dB。對增益平坦度影響較大的是后兩級放大器，在調試時，需要在級間加入適當的π 衰來進行平坦度的調整。

圖5 高增益級聯程控放大電路原理框圖Fig.5 Principle block diagram of high-gain cascade programmable amplifier circuit

中頻信號增益補償效果如圖6 和圖7所示。

圖6 中頻信號放大效果圖（載波頻率110 GHz）Fig.6 IF signal before and after amplification at 110 GHz carrier

圖7 中頻信號放大效果圖（載波頻率325 GHz）Fig.7 IF signal before and after amplification at 325 GHz carrier

結果表明，通過級聯程控中頻放大電路進行中頻增益補償，中頻放大后的信號的輸出幅度明顯得到提升。實際在放大調試過程中，需要注意兩點，一點是近90 dB 的增益放大，不能造成中頻信號的噪聲變差，從圖中可見，中頻信號的信噪比在放大前后沒有變差，這就要求在級聯放大過程中，要保持高增益中頻放大器的線性放大狀態，通過級間的數控衰減器的調整來對線性狀態進行控制；另一點是，中頻信號的諧波會造成放大器的飽和，采取的措施是在級間加入中頻信號的帶通濾波器，級聯放大過程中，始終保持中頻信號頻譜純度。

4 太赫茲相位噪聲測量裝置底部噪聲測試結果

相位噪聲測量裝置的噪聲底部是除參考源外整個測量系統的測量能力的極限值，其測量對于評價整個測量系統的測量能力和每次測量結果的置信度至關重要。太赫茲相位噪聲測量裝置底部噪聲測量框圖如圖8所示。

圖8 （110～500）GHz 太赫茲相位噪聲測量裝置底部噪聲測量框圖Fig.8 Measurement block diagram of THz phase noise measurement system noise floor

太赫茲相位噪聲測量系統的底部噪聲主要由兩部分構成，一部分來自于低相噪微波本振源的噪聲，另一部分來源于太赫茲諧波混頻器的附加相位噪聲。如圖8所示，將低相噪本振源的10 MHz 連接至被測太赫茲波的時基輸入，使得被測太赫茲波和低相噪微波本振源共源，理論上講，公共信號源的噪聲通過兩個支路加到相位檢波器后將被抵消，測量得到的功率譜密度就是太赫茲相位噪聲測量裝置的底部噪聲。太赫茲相位噪聲測量系統測量范圍為（110～500）GHz，其底部噪聲在載波500 GHz 時可以達到-77 dBc／Hz＠10 kHz，如表1 和圖9所示。

表1 太赫茲相位噪聲測量系統底部噪聲Tab.1 THz phase noise measurement system noise floor

圖9 太赫茲相位噪聲測量系統底部噪聲曲線圖Fig.9 The curves of THz phase noise measurement system noise floor

5 結束語

基于太赫茲高階諧波混頻原理搭建了（110～500）GHz 太赫茲相位噪聲測量系統，試驗結果表明，其底部噪聲優越，可用于導引頭、雷達和激光武器等系統中（110～500）GHz 頻段頻率源相位噪聲的計量測試，并為后續進一步研究更高頻率段的太赫茲相位噪聲測量系統提供基礎。