Phasenrausch- und VCO-Messplatz

Das Phasenrauschen von High-End-Signalquellen messen

| Autor / Redakteur: Wolfgang Wendler * / Hendrik Härter

Messplatz: Der R&S FSWP ist für Phasenrauschen und spannungsgesteuerte Oszillatoren konzipiert. Damit lassen sich Messaufbau sowie Bedienung vereinfachen. Der Bildschirm zeigt die Messkurve eines High-End-OCXOs mit -190 dBc/Hz bei einem Frequenz-Offset von 1 MHz.
Messplatz: Der R&S FSWP ist für Phasenrauschen und spannungsgesteuerte Oszillatoren konzipiert. Damit lassen sich Messaufbau sowie Bedienung vereinfachen. Der Bildschirm zeigt die Messkurve eines High-End-OCXOs mit -190 dBc/Hz bei einem Frequenz-Offset von 1 MHz. (Bild: Rohde & Schwarz)

Die Leistung von Radarsystemen, Oszillatoren und Synthesizern hängt von der Qualität der integrierten Signalquellen ab. Mit einem speziellen Messplatz lässt sich das Phasenrauschen solcher Quellen messen.

Bei Radarsystemen sind möglichst stabile, rauscharme Signalquellen ein Schlüsselparameter: Je geringer ihr Phasenrauschen, desto genauer ist die Ortsauflösung und desto präziser lässt sich die Geschwindigkeit von erfassten Objekten bestimmen. Hochwertige spannungsgesteuerte HF-Oszillatoren (VCOs), beheizte Quarz-Oszillatoren (OCXOs), dielektrische Resonator-Oszillatoren (DROs) und Synthesizer für wissenschaftliche Anwendungen oder Kommunikationszwecke benötigen ebenfalls extrem rauscharme Signalquellen.

Um diese im Entwicklungsprozess optimieren oder im Fertigungsprozess prüfen zu können, sind hochpräzise Messungen mit bisher oft aufwändigen Messaufbauten nötig. Die Messaufbauten enthalten einen Phasendetektor, einen FFT-Analysator und extrem rauscharme Referenzquellen. Um die nötige Messungenauigkeit zu gewährleisten, müssen die Referenzquellen das Messobjekt bezüglich Rauschverhalten und Stabilität deutlich übertreffen.

Ist das nicht der Fall, kann der Entwickler mit der Kreuzkorrelationstechnik und zwei parallelen Empfangspfaden arbeiten. Das heißt, er benötigt zwei unterschiedliche Referenzquellen und zwei Phasendetektoren. Eine komplexwertige Mittelung der Rauschergebnisse der beiden Messpfade unterdrückt das Eigenrauschen der Quellen und Komponenten in der Messanordnung abhängig von der Zahl der Mittelungen. Der Messaufbau mit zwei Referenzquellen wird dadurch zwar komplizierter, die Empfindlichkeit erhöht sich aber deutlich.

Die Gleichung zeigt die zu erwartende Verbesserung: ΔL = 5 ∙ log(n). Es gelten: ΔL = Verbesserung der Empfindlichkeit durch Kreuzkorrelation in dB und n = Zahl der Korrelationen/Mittelungen. Wird die Anzahl der Korrelationen beispielsweise um den Faktor 10 erhöht, verringert sich das Phasenrauschen der Messanordnung um 5 dB.

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Die Messungen sind mit kontinuierlichen Referenzsignalen und optional mit gepulsten Signalen möglich. Radaranlagen, die beispielsweise im Umfeld der Luftfahrt und der Verteidigung verwendet werden, arbeiten fast immer mit gepulsten Signalen und können so unter Betriebsbedingungen getestet werden. Der Aufbau für Phasenrauschmessungen an diesen Signalquellen erforderte bisher teure gepulste Signalquellen, die mit dem Messobjekt synchronisiert werden müssen. Zusätzlich benötigen Ingenieure für stabile Messungen die genaue Kenntnis der Pulsparameter und viel Geduld. Denn sie müssen die Messanordnung immer wieder optimieren und überprüfen, bis die Messung stabil läuft.

Um die Messungen zu beschleunigen und einfacher zu gestalten, entwickelte der Messtechnikhersteller Rohde & Schwarz den Phasenrausch- und VCO-Messplatz mit der Bezeichnung R&S FSWP. Mit ihm misst ein Entwickler oder ein Techniker in der Fertigung auf Knopfdruck mit einem Gerät und ohne komplexe Aufbauten. Entwickler können sich auf die Verbesserung ihres Systems konzentrieren und müssen sich nicht mit dem Messaufbau befassen.

Das Gerät benötigt keine externen Referenzquellen oder andere komplizierten Aufbauten, um das Phasenrauschen stabiler Oszillatoren von Radarsystemen zu messen. Der interne Lokaloszillator des Messplatzes übertrifft nahezu alle auf dem Markt erhältlichen Generatoren und Quellen an Phasenrausch-Performance. Bild 1 zeigt typische Phasenrauschwerte für den internen Oszillator.

Sollte die Empfindlichkeit trotzdem nicht ausreichen, kann der Anwender den Messplatz optional mit einem zweiten internen Lokaloszillator ausstatten. Die Kreuzkorrelation mit diesem bringt eine weitere Verbesserung um bis zu 25 dB. Der Bildschirm im Bild Messplatz sowie die oberen beiden Messkurven in Bild 2 zeigen mit dem grauen Bereich unterhalb der Messkurven, welche Empfindlichkeit für die entsprechende Messung mit einer Kreuzkorrelation erreicht werden könnte. Die jeweils verwendete Zahl an Mittelungen (XCORR Factor) ist bei den Messparametern über den Messungen angezeigt.

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