测量微波信号发生器输出的相位噪声是评估其频率稳定性的关键指标，需结合专业仪器与科学方法。以下是分步骤的详细测量方案及技术要点：
一、测量原理与核心指标
相位噪声是信号频率短期稳定性的频域表征，定义为单位带宽内相位起伏的功率谱密度，单位为dBc/Hz（相对于载波的分贝值）。测量需覆盖近端（<10kHz偏移）和远端（>10kHz偏移）频段，分别反映振荡器（如YIG、VCO）和电源噪声的影响。
二、常用测量方法对比
| 方法 | 适用频段 | 优点 | 局限性 |
|---|
| 直接频谱法 | 微波频段 | 操作简单，成本低 | 动态范围有限（近端噪声测量受限） |
| 相位比较法 | 全频段 | 高灵敏度，覆盖近端和远端 | 需参考源，系统复杂 |
| 交叉相关法 | 微波/毫米波 | 抑制仪器本底噪声，提升灵敏度 | 需两套独立测量系统，成本高 |
三、分步骤测量流程
1. 直接频谱法（快速筛查）
- 仪器配置：
- 微波信号发生器（如Keysight E8257D）输出载波（如10GHz）。
- 频谱分析仪（如Keysight N9030B PXA）设置为零跨度模式（Zero Span），分辨率带宽（RBW）设为1Hz~10kHz，视频带宽（VBW）≤RBW/3。
- 连接信号发生器输出至频谱分析仪输入端，使用低损耗同轴电缆（如1m RG402电缆，损耗≤0.5dB@10GHz）。
- 测量步骤：
信号发生器输出功率设为0dBm（避免频谱仪前端压缩）。
频谱仪中心频率设为载波频率（10GHz），扫描时间≥10ms/Hz（确保相位噪声测量稳定性）。
记录偏移频率（如1kHz、10kHz、100kHz）处的相位噪声功率密度（单位：dBm/Hz）。
转换为dBc/Hz：
L(f)=Pnoise(f)−Pcarrier−10log10(RBW)
其中 $ P_{text{carrier}} $ 为载波功率（dBm），$ P_{text{noise}}(f) $ 为偏移频率 $ f $ 处的噪声功率（dBm）。
- 典型结果：
- 优质微波源在10kHz偏移处的相位噪声应≤-110dBc/Hz。
2. 相位比较法（高精度测量）
- 仪器配置：
- 被测信号发生器（DUT）输出载波（如10GHz）。
- 低噪声参考源（如Keysight 8267D，相位噪声≤-130dBc/Hz@10kHz）。
- 相位检测器（如Keysight 11970W，带宽≥100MHz）。
- 低通滤波器（截止频率≤1MHz，抑制高频杂散）。
- 频谱分析仪（或动态信号分析仪）测量滤波器输出。
- 测量步骤：
将DUT和参考源输出通过功率分配器（如Mini-Circuits ZX10-2-12-S+）合路，输入相位检测器。
调整DUT频率使相位检测器输出直流电压为零（相位锁定）。
频谱仪测量相位检测器输出的交流分量（即相位噪声），RBW设为1Hz~10kHz。
扣除系统本底噪声（通过断开DUT输入测量参考源噪声）。
计算相位噪声：
L(f)=Pout(f)−10log10(RBW)+20log10(2)
其中 $ P_{text{out}}(f) $ 为频谱仪测得的噪声功率（dBm/Hz），$ 20log_{10}(2) $ 为相位检测器增益修正项。
- 典型结果：
- 相位比较法可测量近端噪声（如100Hz偏移处≤-100dBc/Hz），灵敏度比直接频谱法高20dB以上。
3. 交叉相关法（超低噪声测量）
- 仪器配置：
- 两套独立测量系统（DUT+参考源+相位检测器+低通滤波器）。
- 交叉相关器（如Keysight E5505B）对两路噪声信号进行相关处理。
- 频谱分析仪测量相关输出。
- 测量步骤：
- 两套系统同时测量DUT相位噪声，输出两路独立噪声信号。
- 交叉相关器对两路信号进行乘法运算并积分，抑制非相关噪声（如仪器本底噪声）。
- 频谱仪测量相关输出，RBW设为0.1Hz~1kHz（远低于直接测量带宽）。
- 计算相位噪声（需扣除相关器增益和系统损耗）。
- 典型结果：
- 交叉相关法可将测量本底噪声降低至-170dBc/Hz以下，适用于毫米波源（如30GHz~110GHz）的相位噪声测量。
四、关键注意事项
- 阻抗匹配：
- 使用匹配良好的同轴连接器（如2.92mm或1.85mm接头），避免反射导致测量误差（VSWR≤1.2:1）。
- 功率控制：
- 信号发生器输出功率设为0dBm±1dB（避免频谱仪前端压缩或噪声地板升高）。
- 环境隔离：
- 测量在屏蔽室内进行，温度稳定度≤±1℃，振动≤0.01g（防止机械振动引入相位噪声）。
- 校准验证：
- 定期使用已知相位噪声的参考源（如Wenzel Ultra Low Noise Oscillator）验证测量系统准确性。
五、应用案例
- 5G基站测试：
测量28GHz载波的相位噪声，确保在100kHz偏移处≤-105dBc/Hz，满足3GPP标准要求。 - 雷达系统：
测量X波段（9GHz）信号发生器的相位噪声，在1kHz偏移处≤-115dBc/Hz，提升雷达距离分辨率。 - 原子钟评估：
测量10MHz微波源的相位噪声，在1Hz偏移处≤-140dBc/Hz，验证原子钟短期稳定性。
