柳 丹，閻棟梁，夏振華，沈婷梅，楊 軍

（北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京100039）

1 引言

太赫茲波是指頻率在（0.1～10）THz 頻譜范圍內(nèi)的電磁波，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍為3 mm～30 μm，太赫茲波在電磁波頻譜中的位置如圖1所示，介于毫米波與紅外之間［1］，也稱(chēng)為亞毫米波或遠(yuǎn)紅外光，處于從電子學(xué)向光子學(xué)的過(guò)渡區(qū)［2，3］。

圖1 太赫茲波在電磁波頻譜中的位置圖Fig.1 Position of terahertz wave in electromagnetic wave spectrum

太赫茲波的長(zhǎng)波段與微波毫米波相重合，短波段與紅外線相重合，其在電磁波頻譜中的特殊位置決定了它同時(shí)具有微波毫米波和光波的優(yōu)點(diǎn)。與微波毫米波相比，太赫茲波頻譜范圍寬、波束窄，因此分辨率更高、信息容量更大，同時(shí)電子設(shè)備體積可以更小。與光波相比，太赫茲波的穿透性較強(qiáng)，具備全天候工作能力，更適用于雨霧、戰(zhàn)場(chǎng)等極端環(huán)境，在精確制導(dǎo)、戰(zhàn)術(shù)通信、激光武器系統(tǒng)和計(jì)量等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［4-6］。

2 太赫茲相位噪聲的計(jì)量需求與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

2.1 太赫茲雷達(dá)探測(cè)對(duì)相位噪聲的計(jì)量需求

在同等約束條件下，與微波毫米波相比，太赫茲波雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)可以對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)更精細(xì)地分辨，能夠獲取目標(biāo)細(xì)小結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特征。太赫茲波的波長(zhǎng)范圍在亞毫米量級(jí)，而典型目標(biāo)尺寸為米級(jí)，因此對(duì)于太赫茲波來(lái)說(shuō)，典型探測(cè)目標(biāo)屬于電超大尺寸目標(biāo)，雷達(dá)截面積（RCS）值更大，目標(biāo)特征更為明顯，太赫茲波與微波毫米波的目標(biāo)回波強(qiáng)度差值可達(dá)（20～30）dB。雷達(dá)發(fā)射的太赫茲信號(hào)的相位噪聲是決定太赫茲雷達(dá)性能的一個(gè)重要因素，較高的相位噪聲疊加在信號(hào)上會(huì)降低雷達(dá)的目標(biāo)能見(jiàn)度，或?qū)⒛繕?biāo)淹沒(méi)掉。雷達(dá)信號(hào)相位噪聲性能越優(yōu)異，意味著雷達(dá)的空間分辨率越好，對(duì)移動(dòng)物體的速度讀取也就越準(zhǔn)確，太赫茲波雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)發(fā)射和接收載波信號(hào)的質(zhì)量提出了嚴(yán)格的要求。

2.2 太赫茲精確制導(dǎo)對(duì)相位噪聲的計(jì)量需求

太赫茲探測(cè)制導(dǎo)技術(shù)是以太赫茲頻段的電磁波為信息載體，通過(guò)接收雷達(dá)發(fā)送反射回的攜帶目標(biāo)信息的太赫茲波信號(hào)，或直接接收目標(biāo)自身輻射的太赫茲波，經(jīng)過(guò)信息處理與分析獲取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)與位置參數(shù)等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和跟蹤，同時(shí)，制導(dǎo)系統(tǒng)接收到目標(biāo)信息后在信息的指引下“自我鞭策”飛向目標(biāo)，最終完成目標(biāo)殺傷損毀。相比較微波及紅外探測(cè)設(shè)備，太赫茲制導(dǎo)技術(shù)可以解決微波設(shè)備末端交匯精度不夠、等離子體鞘套影響瞄準(zhǔn)點(diǎn)選擇等問(wèn)題，也可以避免紅外探測(cè)設(shè)備氣動(dòng)熱效應(yīng)、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰和高溫尾跡敏感等問(wèn)題，通過(guò)太赫茲、紅外復(fù)合制導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)本體的直接碰撞。太赫茲波信號(hào)的相位噪聲直接影響導(dǎo)引頭的制導(dǎo)精度，相位噪聲性能決定目標(biāo)的空間分辨率，影響打擊精度。

2.3 太赫茲相位噪聲測(cè)量技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

隨著太赫茲波測(cè)量技術(shù)的提高和太赫茲器件的發(fā)展，國(guó)際計(jì)量界都在積極探索太赫茲波相位噪聲測(cè)量技術(shù)。美國(guó)NIST 建立了（550～725）GHz 太赫茲波段相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)，其670 GHz 太赫茲相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)的底部噪聲可以達(dá)到-60 dBc／Hz＠10 kHz，如圖2所示［7，8］。目前，NIST 正在進(jìn)行850 GHz及1.05 THz相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)的研制。

圖2 NIST 670 GHz 太赫茲波相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)底部噪聲曲線圖Fig.2 670 GHz phase noise measurement system noise floor noise of NIST

國(guó)內(nèi)常用的相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)型號(hào)包括HP3048A、E5500 系列、E5052 系列、PN9000、FSUP 及FSWP 等，分布在航天、航空、電子、兵器、郵電等各領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)相位噪聲標(biāo)準(zhǔn)最高頻率為110 GHz，對(duì)于頻率在110 GHz 以上的太赫茲波相位噪聲的測(cè)量通常是通過(guò)低頻相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)遞推估值算法實(shí)現(xiàn)，測(cè)量不確定度較大。

3 太赫茲波相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

3.1 太赫茲高階諧波混頻

在太赫茲頻段，高頻率、高性能的太赫茲本振源不僅成本高而且設(shè)計(jì)難度大，使得采用基波混頻方式實(shí)現(xiàn)太赫茲信號(hào)頻率變換在實(shí)際中難以做到，而諧波混頻技術(shù)只需使用本振頻率為射頻頻率1／2或1／4 乃至更低頻率的本振源即可實(shí)現(xiàn)混頻器的變頻功能，降低了對(duì)本振頻率的要求，能有效降低本振源成本和設(shè)計(jì)難度。

太赫茲諧波混頻器下變頻原理如圖3所示，本振輸入信號(hào)頻率是射頻輸入頻率的1／N，其中N是諧波次數(shù)，根據(jù)諧波混頻器的頻段選擇本振諧波次數(shù)，調(diào)節(jié)本振諧波功率滿(mǎn)足諧波混頻器要求并使得諧波混頻器工作在最優(yōu)指標(biāo)，對(duì)于N次諧波混頻，中頻輸出頻率為fIF＝｜fRF-N×fLO｜。

圖3 太赫茲諧波混頻器下變頻原理框圖Fig.3 Down conversion principle block diagram of terahertz harmonic mixer

基于太赫茲高階諧波混頻原理的太赫茲相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 （110～500）GHz 太赫茲相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)原理框圖Fig.4 Block diagram of phase noise measurement setup for（110～500）GHz source

被測(cè)太赫茲波通過(guò)波導(dǎo)連接至諧波混頻器的射頻輸入端，低相噪微波本振源通過(guò)低噪聲參考鏈激勵(lì)梳狀發(fā)生器產(chǎn)生梳狀譜序列，利用YIG 鎖相濾波提取梳狀譜線后作為低相噪微波本振源輸出，微波本振源輸出頻率范圍為（8～16）GHz。低相噪微波本振源的高次諧波與被測(cè)太赫茲源進(jìn)行混頻，下變頻后得到的中頻信號(hào)在DC～1 GHz 內(nèi)，低相噪微波本振源中的低噪聲參考鏈中輸出的100 MHz 信號(hào)作為數(shù)字相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)的參考信號(hào)，測(cè)量得到中頻信號(hào)的相位噪聲即被測(cè)太赫茲波的相位噪聲。

根據(jù)目前高次諧波混頻器的工作頻段，（110～500）GHz 太赫茲相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)將工作頻段主要分為四個(gè)頻段來(lái)進(jìn)行，分別為（110～170）GHz，（140～220）GHz，（220～325）GHz，（325～500）GHz。

3.2 太赫茲諧波混頻鏈路間弱中頻信號(hào)提取

太赫茲相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)高次太赫茲諧波混頻器將被測(cè)太赫茲頻率下變頻至中頻范圍內(nèi)，由于被測(cè)太赫茲頻率源的輸出功率普遍不高，一般在（ -10～＋5）dBm 之間，而且由于太赫茲諧波混頻器的插入損耗在（30～90）dB 之間，因此經(jīng)過(guò)下變頻后，中頻輸出信號(hào)的幅度很小，無(wú)法達(dá)到相位噪聲測(cè)量模塊的最小功率輸入，同時(shí)使得相位噪聲測(cè)量模塊接收前端的信噪比變差，底部噪聲惡化。

在太赫茲高次諧波變頻后通過(guò)四級(jí)放大器進(jìn)行級(jí)聯(lián)放大，采用高增益低噪聲放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)中頻信號(hào)的放大補(bǔ)償，設(shè)計(jì)方案如圖5所示。按照級(jí)聯(lián)放大器的噪聲貢獻(xiàn)分析，第一級(jí)放大器的底部噪聲對(duì)整體放大器的底部噪聲影響最大，所以第一級(jí)放大器的增益為40 dB，而且第一級(jí)放大器是通過(guò)三極管對(duì)管的并聯(lián)放大，目的就是進(jìn)一步減小放大器的等效輸入阻抗，等效輸入阻抗減小會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化整體放大器的底部噪聲。另外，整體級(jí)聯(lián)放大器的增益平坦度需要進(jìn)行控制，要求以中頻頻率為中心頻率f0，±10 %f0帶寬內(nèi)的增益平坦度優(yōu)于0.3 dB。對(duì)增益平坦度影響較大的是后兩級(jí)放大器，在調(diào)試時(shí)，需要在級(jí)間加入適當(dāng)?shù)摩?衰來(lái)進(jìn)行平坦度的調(diào)整。

圖5 高增益級(jí)聯(lián)程控放大電路原理框圖Fig.5 Principle block diagram of high-gain cascade programmable amplifier circuit

中頻信號(hào)增益補(bǔ)償效果如圖6 和圖7所示。

圖6 中頻信號(hào)放大效果圖（載波頻率110 GHz）Fig.6 IF signal before and after amplification at 110 GHz carrier

圖7 中頻信號(hào)放大效果圖（載波頻率325 GHz）Fig.7 IF signal before and after amplification at 325 GHz carrier

結(jié)果表明，通過(guò)級(jí)聯(lián)程控中頻放大電路進(jìn)行中頻增益補(bǔ)償，中頻放大后的信號(hào)的輸出幅度明顯得到提升。實(shí)際在放大調(diào)試過(guò)程中，需要注意兩點(diǎn)，一點(diǎn)是近90 dB 的增益放大，不能造成中頻信號(hào)的噪聲變差，從圖中可見(jiàn)，中頻信號(hào)的信噪比在放大前后沒(méi)有變差，這就要求在級(jí)聯(lián)放大過(guò)程中，要保持高增益中頻放大器的線性放大狀態(tài)，通過(guò)級(jí)間的數(shù)控衰減器的調(diào)整來(lái)對(duì)線性狀態(tài)進(jìn)行控制；另一點(diǎn)是，中頻信號(hào)的諧波會(huì)造成放大器的飽和，采取的措施是在級(jí)間加入中頻信號(hào)的帶通濾波器，級(jí)聯(lián)放大過(guò)程中，始終保持中頻信號(hào)頻譜純度。

4 太赫茲相位噪聲測(cè)量裝置底部噪聲測(cè)試結(jié)果

相位噪聲測(cè)量裝置的噪聲底部是除參考源外整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量能力的極限值，其測(cè)量對(duì)于評(píng)價(jià)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量能力和每次測(cè)量結(jié)果的置信度至關(guān)重要。太赫茲相位噪聲測(cè)量裝置底部噪聲測(cè)量框圖如圖8所示。

圖8 （110～500）GHz 太赫茲相位噪聲測(cè)量裝置底部噪聲測(cè)量框圖Fig.8 Measurement block diagram of THz phase noise measurement system noise floor

太赫茲相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)的底部噪聲主要由兩部分構(gòu)成，一部分來(lái)自于低相噪微波本振源的噪聲，另一部分來(lái)源于太赫茲諧波混頻器的附加相位噪聲。如圖8所示，將低相噪本振源的10 MHz 連接至被測(cè)太赫茲波的時(shí)基輸入，使得被測(cè)太赫茲波和低相噪微波本振源共源，理論上講，公共信號(hào)源的噪聲通過(guò)兩個(gè)支路加到相位檢波器后將被抵消，測(cè)量得到的功率譜密度就是太赫茲相位噪聲測(cè)量裝置的底部噪聲。太赫茲相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量范圍為（110～500）GHz，其底部噪聲在載波500 GHz 時(shí)可以達(dá)到-77 dBc／Hz＠10 kHz，如表1 和圖9所示。

表1 太赫茲相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)底部噪聲Tab.1 THz phase noise measurement system noise floor

圖9 太赫茲相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)底部噪聲曲線圖Fig.9 The curves of THz phase noise measurement system noise floor

5 結(jié)束語(yǔ)

基于太赫茲高階諧波混頻原理搭建了（110～500）GHz 太赫茲相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，其底部噪聲優(yōu)越，可用于導(dǎo)引頭、雷達(dá)和激光武器等系統(tǒng)中（110～500）GHz 頻段頻率源相位噪聲的計(jì)量測(cè)試，并為后續(xù)進(jìn)一步研究更高頻率段的太赫茲相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。