[論文レビュー] The Measurement of AM noise of Oscillators

Enrico Rubiola|ArXiv.org|Dec 9, 2005

Radio Frequency Integrated Circuit Design参考文献 13被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、単一チャネルおよび相関構成の商用ショットキーダイオードおよびトンネルダイオード電力検出器を用いて、RF/ミリ波発信器における振幅変調（AM）ノイズを測定する包括的な手法を提示する。世界記録の低バックグラウンドノイズを達成し、低ノイズ石英発信器に対して $ S_{\beta}(f) = 1.15 \times 10^{-13}/f $ のフィッカーノイズを実証した。これはアラン偏差 $ \sigma_{\alpha} = 4 \times 10^{-7} $ に相当し、正確な測定を可能にするキャリブレーションおよびノイズ解析手順を確立した。

ABSTRACT

The close-in AM noise is often neglected, under the assumption that it is a minor problem as compared to phase noise. With the progress of technology and of experimental science, this assumption is no longer true. Yet, information in the literature is scarce or absent. This report describes the measurement of the AM noise of rf/microwave sources in terms of Salpha(f), i.e., the power spectrum density of the fractional amplitude fluctuation alpha. The proposed schemes make use of commercial power detectors based on Schottky and tunnel diodes, in single-channel and correlation configuration. There follow the analysis of the front-end amplifier at the detector output, the analysis of the methods for the measurement of the power-detector noise, and a digression about the calibration procedures. The measurement methods are extended to the relative intensity noise (RIN) of optical beams, and to the AM noise of the rf/microwave modulation in photonic systems. Some rf/microwave synthesizers and oscillators have been measured, using correlation and moderate averaging. As an example, the flicker noise of a low-noise quartz oscillator (Wenzel 501-04623E) is Salpha = 1.15E-13/f, which is equivalent to an Allan deviation of sigma_alpha = 4E-7. The measurement systems described exhibit the world-record lowest background noise.

研究の動機と目的

• 技術の進展に伴い、近接周波数のAMノイズがますます重要になる中で、高精度発信器における正確なAMノイズ測定のニーズに対応する。
• 商用電力検出器を用いて、周波数ごとの振幅変動のパワー スペクトル密度 $ S_{\alpha}(f) $ のための実用的な測定システムを開発・検証する。
• フロントエンドアンプおよび検出器のノイズ寄与を分析・最小化し、システムノイズ限界以下の測定精度を確保する。
• 測定フレームワークを光学系（RIN）およびマイクロ波光通信系に拡張し、応用範囲を広げる。
• キャリブレーション済みで再現性のある測定手順を提供し、理論的ノイズ限界と照合して結果を検証する。

提案手法

• ショットキーダイオードおよびトンネルダイオード電力検出器を、単一チャネルおよび二重チャネル（相関）構成で用いてAMノイズを測定する。
• クロススペクトル解析を用い、システムノイズおよび検出器ノイズと真のAMノイズを区別する。クロススペクトルが独立した単一チャネルスペクトルを上回ることを利用している。
• 50 Ω入力インピーダンスに最適化されたフロントエンドアンプ設計を採用し、フィッカーノイズを最小化する。ノイズマッチングは検出器の特性に合わせて調整されている。
• 負荷抵抗の関数として検出器の利得を測定し、正確なキャリブレーションおよびノイズフロア推定を保証する。
• 既知のノイズ源および理論的モデルに基づくキャリブレーション手順を適用し、システム応答およびノイズフロアの妥当性を検証する。
• 光学系への応用として相対的強度ノイズ（RIN）を測定し、マイクロ波光通信系ではRF変調ノイズを介して拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現代のRF/ミリ波発信器における近接周波数のAMノイズの真のレベルは何か。なぜそれがしばしば低く見積もられるのか。
• RQ2 検出器およびアンプのノイズが支配的である場合、発信器のAMノイズをどのように正確に測定できるか。
• RQ3 検出器の非線形性（2次検波 vs. ピーク検波）は、AMノイズ測定の正確性にどのような影響を及えるか。
• RQ4 フロントエンドアンプは、どのように設計すれば全体の測定ノイズフロアへの寄与を最小限に抑えることができるか。
• RQ5 相関技術は、システムノイズをどれほど抑制し、発信器の真のAMノイズを明らかにできるか。

主な発見

• 低ノイズ石英発信器（Wenzel 501-04623E）のフィッカーノイズAMノイズは $ S_{\alpha}(f) = 1.15 \times 10^{-13}/f $ と測定され、アラン偏差 $ \sigma_{\alpha} = 4 \times 10^{-7} $ に相当した。
• 測定システムは、観測されたクロススペクトルが独立した単一チャネルスペクトルおよびチャネル分離限界を上回り、真のソースノイズを確認した。世界で最も低いバックグラウンドノイズを達成した。
• 標準的な「超低ノイズ」アンプ（MAT03）は、50 Ωシステムではノイズ特性が不適合であることが判明し、最適な50 Ω動作を実現するための再設計が求められた。
• OP37オペアンプは、入力インピーダンスを1 kΩに負荷した場合、より複雑なMAT03アンプよりもAMノイズ測定条件下で優れた性能を示した。
• 本手法は、DRO、合成器（HP 8662A、Fluke 6160B、Racal Dana 9087B）、OCXOなど、さまざまなソースのAMノイズを正確に測定でき、複数の構成で一貫性のある結果を得た。
• 本研究は、適切なキャリブレーションおよび相関技術を適用すれば、商業用部品を用いてAMノイズを高精度に測定可能であることを示した。