解决雷达和通信系统中的相位噪声挑战

介绍

相位噪声正迅速成为复杂雷达和通信系统中解决的最关键因素。这是因为它是定义雷达目标采集和通信系统频谱完整性的关键参数。有许多论文详细介绍了相位噪声的数学推导，但很少有人提到其重要性的原因。在这个由两部分组成的博客系列的第1部分中，我们将讨论相位噪声的一般性以及它如何影响不同微波系统的性能。

什么是相位噪声？

相位噪声通常用作振荡器内频率稳定性的量度。这种噪声本质上不同于任何电气系统的一般背景噪声，其定义为kTB，其中k是玻尔兹曼常数，B是带宽，T是温度。相反，相位噪声是与振荡器的拓扑和结构直接相关的次要效应。

图 1：理想信号（蓝色）和带相位噪声的信号（红色）。

我们为什么关心相位噪声？

相位噪声会影响许多不同微波系统的性能。

直接下变频是微波通信系统中的一种接收器。直接下变频的一个优点是电路简单，它本质上是由本振（LO）驱动的单个混频器，用于将输入RF信号转换为基带（极低频率）。然后将该基带信号直接施加到模数转换器进行处理。这种架构的常用术语是“RF输入，位输出”。但是，直接下变频的一个问题是，输入RF信号的频率可能非常接近LO，这使得转换过程容易受到相位噪声的影响 - 特别是在信号强度较低的情况下。

在雷达系统中，问题在性质上是相似的。雷达系统的工作原理是在一个频率上发射脉冲，然后测量返回脉冲的频率偏移，因为偏移与通过多普勒效应成像的物体的速度有关。移动非常缓慢的物体会产生频率非常接近发射脉冲的返回脉冲，如果物体的横截面也很小，则此接收信号的功率电平也将非常低。最终，该返回脉冲必须转换为基带才能恢复速度信息，相位噪声会掩盖数据。

在图2中，我们可以看到，如果我们想要转换的RF信号的功率电平低于LO信号的相位噪声频谱，我们将无法恢复任何基带信息，因为信号将位于噪声中。因此，降低相位噪声将提高我们的接收器灵敏度。

图 2：我们希望转换为基带的理想 LO 信号（蓝色）、具有相位噪声的 LO 信号（红色）和频率接近的 RF 信号（绿色）。

在图3中，我们展示了相位噪声如何对转换产生负面影响，这次是多载波正交频分复用（OFDM）信号。在该图中，我们注意到，如果LO的相位噪声过高，则噪声将被转换为基带数据的相邻通道，从而破坏信息的完整性。

图 3：OFDM 系统中的相位噪声问题。理想的LO信号（蓝色），带相位噪声的LO信号（红色），RF信号（绿色）。

放大器和相位噪声

限制相位噪声的一个明显地方是振荡器的选择。这个问题可以通过花费大量时间和金钱来设计或购买低噪声振荡器来解决。然而，大多数振荡器不能产生足够的输出功率，实际上让我们假设，对于特定应用，+5 dBm的振荡器输出需要放大到+15至+17 dBm的水平，以驱动混频器的LO端口。那么问题来了——放大器会影响LO信号的相位噪声吗？

在理想情况下，答案是否定的，因为放大器只需将所需的LO信号和裙边提高相同的电平。然而，实际上，微波放大器会向任何信号添加自己的噪声，这就是问题所在。所有电子设备都表现出一种称为1/f噪声或“粉红噪声”的现象，即噪声功率被添加到输入信号频谱中，但与失调频率的倒数成比例下降。在图4中，我们展示了CMD307P3的相位噪声，CMD10P17是一款覆盖《》至《》 GHz范围的低噪声放大器，与目标信号的偏移频率的关系。输入信号的相位噪声已被抵消，因此该图表示放大器产生的噪声。

图 4：CMD307P3 LNA 相位噪声

在图4中，我们注意到相位噪声在对数刻度上随着频率偏移的增加而线性下降，这是1/f噪声的特征。如果该噪声电平高于输入信号的相位噪声，则放大器噪声将主导输出噪声频谱。在我们的例子中，这意味着振荡器的低相位噪声将被放大器的较高相位噪声所取代，从而违背了低相位噪声振荡器的目的。这种现象的图形表示如图5所示。

图 5：放大器引起的相位噪声下降。

左侧输入信号的裙边在通过放大器后增加，输出频谱在右侧。

一个明显的问题是 - 是否可以采取任何措施来降低放大器的相位噪声？答案就在器件物理学中。1/f噪声是由有源器件通道中的随机和热电荷移动引起的。例如，CMD307P3采用砷化镓（GaAs）pHEMT工艺制造，浇口长度为0.13 um。该工艺中的FET器件由于其高电子迁移率，通常具有较高的1/f角。另一方面，砷化镓双极器件往往具有较低的电子迁移率，这意味着1/f噪声要低得多。因此，它们的相位噪声比FET器件好得多。因此，降低加性相位噪声的一种解决方案是使用砷化镓HBT工艺。

在Custom MMIC，我们利用我们在放大器英国威廉希尔公司网站 方面的广泛知识，在工作频率为6至40 GHz的GaAs HBT工艺上创建了一系列新的低相位噪声放大器（LPNA）。

在图6中，我们显示了CMD245放大器的相位噪声与失调频率的关系，该放大器采用4 mm QFN型封装，相对于前面所示的CMD307P3 HEMT LNA。我们注意到CMD245C4的相位噪声比CMD15P20 pHEMT LNA低307至3 dB。

图 6：CMD245C4（蓝色）低相位噪声放大器与 CMD307P3（绿色）LNA 的相位噪声。

除振荡器和放大器外，其他元件也会产生相位噪声，包括倍频器。许多微波系统利用低频振荡器，然后将其乘以产生更高的频率。一种常见的乘法方法是使用谐波端接放大器来产生所需的输出频率。不幸的是，这种方法会将放大器的相位噪声添加到乘法信号中，从而降低原始振荡器的相位噪声。

第二种方法是使用无源乘法，它有可能为乘法器的信号（也称为倍增器）增加最小的额外相位噪声。定制MMIC还创建了一系列无源HBT式倍频器，不会增加输入信号的相位噪声。在下表中，我们总结了定制MMIC的无源乘法器芯片系列（也提供SMT封装版本）。

结论

在这个由两部分组成的博客系列中，我们讨论了相位噪声如何成为与振荡器的拓扑和结构直接相关的次级效应。我们已经分析了相位噪声如何影响直接下变频接收器和雷达的性能。最后，我们提出了特定的定制MMIC解决方案来解决这些挑战。

审核编辑：郭婷