R&S®FSWPが外部局部発振器をサポート

課題

R&S®FSWPのような内蔵信号源と相互相関機能を備えた最新の位相雑音アナライザは、オーブン制御水晶発振器（OCXO）、シンセサイザー、電圧制御発振器（VCO）などのほぼすべての信号源を数秒で測定できます。しかし、内蔵信号源は1 MHzから56 GHzまでの周波数範囲をカバーする必要があるため、OCXO、誘電体共振器発振器（DRO）、サファイア装荷キャビティー発振器（SLCO）などの固定周波数で動作するハイエンド信号源には及びません。これらの信号源は、同調範囲が狭い一方で、卓越した位相雑音性能を備えています。例えば、Marki Microwave社のSLCOX0573の場合、周波数8 GHz、オフセット10 kHzで位相雑音感度−157 dBc（1 Hz）を測定する必要があり、

この測定は、R&S®FSWP50でボタンを押すだけで可能です。しかし、このような発振器の位相雑音性能を正確に測定するには、10 kHzオフセットで約1,000万回、10 Hzオフセットで約1,000回のアベレージングが必要になります。膨大な回数のアベレージングは有効ですが、最終結果を得るまでに時間がかかります。ハイエンド信号源の開発者が設計を最適化したい場合、数秒という短時間で結果を得る必要があります。

アプリケーション

DUTと同等または近い品質を持つ局部発振器（LO）を使用することで、相互相関の回数を減らし、短時間で結果を取得できるようになります。

ローデ・シュワルツのソリューション

R&S®FSWPを使用することで、外部信号源を用いてハイエンドデバイスを測定できます。図1に、2つのSLCOを局部発振器として使用し、LO補助入力のCH 1 INおよびCH 2 INに接続したセットアップを示します。このセットアップでは3つ目のSLCOがDUTであり、R&S®FSWPのRF入力に接続されています。LOパスには2つのアンプを追加することも可能です。アンプの相加性雑音は相互相関によって抑制されるためです。このセットアップでは、LO信号源をDUTと同じ周波数で動作させる必要があります。R&S®FSWPはPLLを確立し、外部SLCOをDUTにロックさせます。SLCOをロックするために、R&S®FSWPの背面の同調出力を使用できます。これらの同調電圧範囲は0 V〜8 Vで、負の同調スロープは約2 kHz/Vです。DUTの同調電圧（V_Tune）は常に4 Vに設定されます。

図2に、同調電圧メニューのセットアップを示します。両方の同調出力は「Tuned」に設定され、これに対して感度と同調範囲が入力されています。この場合、ループ帯域幅は50 Hzに設定されています。発振器の同調入力は主に外部フィルタリングされるため、ループ帯域幅はこちらに表示されている値よりも狭くなる場合があります。信号源の周波数偏差と同調電圧は下部に表示されます。

電圧が最小値または最大値に達しない限り、発振器はDUTにロックされ、測定を開始できます。図3に、その結果を示します。8 GHzで−157 dBc（1 Hz）を測定する場合、10 Hzオフセットで必要なアベレージングはわずか1回であり、結果として10 kHzオフセットのアベレージング回数は1,000回になります。相互相関利得を示すグレーの領域は明らかにトレースの下側にあり、これは、電子計測機器による制限を受けずにDUTが正しく測定されていることを示しています。

図4に、内蔵信号源を使用して同じ測定を行った結果を示します。R&S®FSWPは、同じ値を表示しています。ただし、グレーの領域を十分にトレースの下側に収め、DUTが正しく測定されていることを確実にし、より滑らかで信頼性の高いトレースを得るためには、100倍の相互相関が必要になります。

まとめ

R&S®FSWPは、局部発振器として外部信号源をサポートすることにより、ハイエンド信号源であってもわずか数秒で測定することができます。これは、固定オフセットを持つフォトニック発振器で実証されています [2]。さらに、同調ポートによりLOをDUTにロックすることが可能になり、より広いオフセット範囲に対応できるようになりました。このモードでは、2つ目のDUT信号を分割して両方のLO入力に供給する、いわゆる2-DUT法も動作します。なお、LOの位相雑音は相互相関によって抑制されないため、最後に3 dBを差し引く必要があります。

参考資料

[1] G. Feldhaus and A. Roth、「A 1 MHz to 50 GHz direct down-conversion phase noise analyzer with cross-correlation」。2016年4月、英国のヨーク、European Frequency and Time Forum（EFTF）にて発表。

[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.