R&S®FSWP unterstützt externe Lokaloszillatoren

Ihre Anforderung

Moderne Phasenrauschanalysatoren mit internen Quellen und Kreuzkorrelation wie der R&S®FSWP können nahezu jede Signalquelle – etwa einen temperaturgeregelten Quarzoszillator (OCXO), einen Synthesizer oder einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) – in wenigen Sekunden prüfen. Allerdings müssen die internen Quellen den Frequenzbereich von 1 MHz bis 56 GHz abdecken und können daher nicht mit High-End-Quellen mithalten, die auf einer festen Frequenz arbeiten – etwa OCXOs, dielektrischen Resonator-Oszillatoren (DRO) und Saphir-Hohlraumoszillatoren (SLCO). Diese Quellen haben nur einen kleinen Abstimmbereich, aber hervorragende Phasenrauscheigenschaften. Beim Marki Microwave SLCOX0573 muss beispielsweise eine Phasenrauschempfindlichkeit von −157 dBc (1 Hz) bei 10 kHz Offset und einer Frequenz von 8 GHz gemessen werden.

Mit dem R&S®FSWP50 gelingt dies per Knopfdruck. Allerdings sind bei 10 kHz Offset mehr als 10 000 000 Mittelungen bzw. bei 10 Hz Offset ca. 1000 Mittelungen erforderlich, um das Phasenrauschen dieser Oszillatoren genau zu messen. Eine sehr hohe Anzahl von Mittelungen führt zwar zum Ziel, kostet aber Zeit. Wenn Entwickler von High-End-Quellen ihr Design optimieren möchten, benötigen sie die Ergebnisse schneller – innerhalb weniger Sekunden.

Anwendung

Einsatz von Lokaloszillatoren (LO) mit der gleichen oder einer ähnlichen Qualität wie der Prüfling, um die Anzahl der Kreuzkorrelationen zu reduzieren und die Ergebnisse schneller zu erhalten.

Lösung von Rohde & Schwarz

Mit dem R&S®FSWP lassen sich externe Quellen zur Messung von High-End-Geräten einsetzen. Bild 1 zeigt den Aufbau, bei dem zwei SLCOs als Lokaloszillatoren verwendet werden und mit den LO-Hilfseingängen CH 1 IN und CH 2 IN verbunden sind. Der dritte SLCO in diesem Aufbau ist der Prüfling, der mit dem HF-Eingang des R&S®FSWP verbunden ist. In den LO-Pfad lassen sich sogar zwei Verstärker einfügen, da ihr additives Rauschen durch Kreuzkorrelation unterdrückt wird. In diesem Aufbau müssen die LO-Quellen auf derselben Frequenz arbeiten wie der Prüfling. Der R&S®FSWP baut einen Phasenregelkreis (PLL) auf, um die externen SLCOs auf den Prüfling zu synchronisieren. Auf der Rückseite des R&S®FSWP stehen Abstimmausgänge zur Verfügung, um die SLCOs zu synchronisieren. Sie weisen einen Abstimmspannungsbereich von 0 V bis 8 V und eine negative Abstimmsteilheit von etwa 2 kHz/V auf. Die Abstimmspannung V_Tune des Prüflings ist dauerhaft auf 4 V eingestellt.

Bild 2 zeigt die Einstellungen der Menüoption für die Abstimmspannung. Beide Abstimmausgänge werden auf „Tuned“ gesetzt, und Empfindlichkeit sowie Abstimmbereich werden entsprechend eingegeben. In diesem Fall ist die Regelkreisbandbreite auf 50 Hz eingestellt. Durch die überwiegend externe Filterung an den Abstimmeingängen der Oszillatoren kann die Regelkreisbandbreite kleiner ausfallen als hier angegeben. Die Frequenzabweichung und Abstimmspannung der Quellen sind unten aufgeführt.

Solange die Spannungen nicht am Minimal- oder Maximalwert liegen, sind die Oszillatoren auf den Prüfling synchronisiert und die Messung kann gestartet werden. Bild 3 zeigt das Ergebnis. Bei einem Offset von 10 Hz genügt eine einzige Mittelung; daraus ergeben sich bei 10 kHz Offset 1000 Mittelungen, um bei 8 GHz −157 dBc (1 Hz) zu messen. Der graue Bereich, der die Kreuzkorrelationsverstärkung zeigt, liegt deutlich unterhalb der Messkurve. Das bedeutet, dass der Prüfling korrekt und ohne Einschränkung durch die Messtechnik gemessen wird.

Bild 4 zeigt dieselbe Messung mit den internen Quellen. Der R&S®FSWP zeigt dieselben Werte an, allerdings sind 100-mal mehr Kreuzkorrelationen erforderlich, um den grauen Bereich deutlich unter die Messkurve zu bringen und so eine korrekte Messung des Prüflings sowie eine glattere und zuverlässigere Messkurve sicherzustellen.

Fazit

Dank der Unterstützung externer Quellen als Lokaloszillatoren kann der R&S®FSWP selbst High-End-Quellen innerhalb weniger Sekunden messen – nachgewiesen an photonischen Oszillatoren mit festem Offset [2]. Dank der Abstimmausgänge lassen sich die LOs nun auf den Prüfling synchronisieren, wodurch sich der nutzbare Offsetbereich erweitert. In diesem Modus funktioniert auch die sogenannte Zwei-Prüflings-Methode, bei der das zweite Prüflingssignal aufgeteilt und beiden LO-Eingängen zugeführt wird. Abschließend müssen vom Ergebnis 3 dB abgezogen werden, da das Phasenrauschen des LO nicht durch Kreuzkorrelation unterdrückt wird.

Referenzen

[1] G. Feldhaus und A. Roth, „A 1 MHz to 50 GHz direct down-conversion phase noise analyzer with cross-correlation“, veröffentlicht in European Frequency and Time Forum (EFTF), York, UK, im April 2016.

[2] „Cross-spectrum Phase Noise Measurements of 10-15-level Stability Photonic Microwave Oscillators“, M. Giunta, B. Rauf, S. Pucher, S. Afrem, W. Wendler, A. Roth, J. Kornprobst, S. Peschl, J. Schulz, J. Schorer, M. Fischer, R. Holzwarth, IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS) 2025, Th2D-4.