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Neuartiges System für empfindliche Phasenrauschmessungen bis in den 100 GHz-Frequenzbereich

21.11.2021

Das Phasenrauschen hochfrequenter Signale wird in der Regel durch einen Vergleich des zu untersuchenden Signals mit einem rauscharmen Referenzsignal gleicher Frequenz gemessen. Bei kommerziellen Phasenrauschmessplätzen wird dieses Referenzsignal durch einen über einen weiten Frequenzbereich abstimmbaren Oszillator erzeugt. Dadurch wird die Messung zum einen durch den Frequenzbereich des Referenzoszillators, der bei typischen Geräten nur einige GHz beträgt, und zum anderen durch sein Rauschen beschränkt.

An der PTB wurde ein neuartiges System entwickelt, das es ermöglicht, zur Phasenrauschmessung Mikrowellensignale bis zu einer Frequenz von 100 GHz in den MHz-Bereich zu konvertieren. Die entscheidende Verbesserung gegenüber herkömmlichen Systemen liegt darin, dass die Möglichkeit eröffnet wird, das Referenzsignal im GHz-Bereich aus einer mittels eines Resonators stabilisierten Laserlichtquelle zu gewinnen. Durch einen solchen Frequenztransfer können Referenzsignale erhalten werden, deren Rauschen gegenüber herkömmlichen Signalen deutlich reduziert ist. Entsprechend eröffnet sich die Möglichkeit sehr viel empfindlicherer Phasenrauschmessungen.

Ein „Frequenzlineal“ zum Konvertieren entsteht mithilfe eines Femtosekundenlasers. Dessen optische Pulse werden mithilfe einer Photodiode in elektrische Pulse umgewandelt. Im Frequenzbereich stellt das Ausgangssignal der Photodiode ein Spektrum mit scharfen, äquidistanten „Zinken“ dar, ähnlich einem Kamm (Abb. 1). Der Abstand der Zinken entspricht dabei der Repetitionsrate der optischen Pulse und beträgt hier rund 250 MHz. Die Breite des so erzeugten Mikrowellenkamms beträgt je nach Bandbreite der Photodiode bis zu 100 GHz, wobei sie prinzipiell durch die Bandbreite des optischen Signals auf rund 4 THz limitiert ist. Wird nun im optischen Frequenzbereich über eine passende Zinke der Frequenzkamm an ein frequenzstabiles Laserlichtsignal angebunden, so wird dessen Frequenzstabilität auf alle Kammzinken übertragen. Die Frequenzen des so konvertierten Mikrowellenkamms haben ein extrem geringes Phasenrauschen.

In einem ersten Demonstrationsexperiment wurde statt der Anbindung des Frequenzkamms im optischen Frequenzbereich eine Anbindung an besonders rauscharme Referenzsignale bei 100 MHz und bei 9.6 GHz, jeweils referenziert auf ein Frequenznormal, gewählt. Dadurch wird das geringe Rauschen der Referenz auf den gesamten Mikrowellenkamm übertragen und gleichzeitig jede Zinke in ihrer Frequenz festgelegt. Für die Phasenrauschmessung wurde ähnlich wie bei herkömmlichen Systemen durch Mischung des zu untersuchenden Signals und des Referenzsignals, hier nun die nächstgelegenen Frequenzzinke des Kamms, ein Signal im MHz-Bereich erzeugt.

Ein solches System kann zukünftig zur Durchführung von Kalibrierungsdienstleistungen für Hochfrequenz-Oszillatoren bis in den mm-Wellenbereich verwendet werden.

 


Abbildung 1: Mikrowellenfrequenzkamm am Ausgang einer Photodiode mit 16 GHz Bandbreite. Der Abstand zwischen den „Zinken“ beträgt rund 250 MHz.


P. Walkemeyer, B. Lipphardt, M. Kazda, "Referenced Frequency Ruler for the Phase Noise Analysis of Oscillators in the High GHz Range," 2021 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 2021, pp. 404-407, doi: 10.1109/IMS19712.2021.9574817.

Kontakt:
AG 4.41 Zeitnormale
B. Lipphard, burghard.lipphardt(at)ptb.de, Tel. (0531) 592 4428
M. Kazda, michael.kazda(at)ptb.de, Tel. (0531) 592 4413