許多雷達系統需要低相位噪聲，以最大限度地提高雜波抑制。高性能雷達需要仔細注意相位噪聲，因此在降低頻率合成器的相位噪聲和表征頻率合成器組件的相位噪聲方面需要大量設計投資。

眾所周知，低相位噪聲性能（特別是超低相位噪聲性能）需要低噪聲電源才能實現最佳性能。目前還沒有充分記錄的是量化電源噪聲電壓電平對相位噪聲影響的系統方法。本文旨在改變這一點。

介紹了電源調制比（PSMR）理論，即如何將其調制到RF載波上的電源缺陷的度量。RF放大器的特征在于，測量結果表明，可以計算并相當準確地預測電源噪聲對相位噪聲的貢獻。基于該結果，討論了電源規格的系統方法。

簡介和定義

電源調制比類似于眾所周知的電源抑制比（PSRR）術語，但有一個關鍵點不同。PSRR是衡量電源缺陷與組件輸出直接耦合的程度的指標。PSMR是衡量如何將紋波和噪聲的電源缺陷調制到RF載波上的指標。

下面的理論部分介紹了H（s），這是一種將PSMR與電源缺陷相關的傳遞函數，即如何將它們量化地調制到載波上。H（s）具有幅度和相位分量，并且可能隨頻率和分量工作條件而變化。盡管存在許多變量，但一旦表征，電源調制比可用于根據電源數據手冊中紋波和噪聲的規格準確預測電源的相位噪聲和雜散貢獻。

理論

考慮RF組件的直流電源上的紋波。電源紋波被建模為正弦波信號，其峰峰值電壓以直流輸出為中心。正弦波被調制到RF載波上，產生頻率偏移等于正弦波頻率的雜散信號。

圖1.電源上的正弦波紋波調制到RF載波上以產生雜散信號。

雜散電平是正弦波幅度和RF電路靈敏度的函數。雜散信號可以進一步細分為調幅分量和相位調制分量。總雜散功率電平等于調幅（AM）分量的雜散功率加上相位調制（PM）分量的雜散功率。

對于此處的討論，H（s）是從電源缺陷到RF載波上不需要的調制項的傳遞函數。H（s）也有AM和PM組件。H（s） 的 AM 成分是 Hm（s） 和 H（s） 的 PM 分量為 H?以下等式利用H（s）進行實際的RF測量，假設低調制水平可以接受電源對RF載波的影響。

信號的幅度調制可以寫為

調幅分量m（t）可以寫為

其中 fm是調制頻率

RF載波的AM調制電平可與電源紋波直接相關：

v有效值是電源電壓的交流分量的均方根值。公式3是關鍵公式，它提供了一種機制來計算RF載波因電源紋波引起的AM調制。

雜散電平可通過幅度調制計算：

電源對相位調制的影響也可以類似地寫出來。相位調制信號為

相位調制項為

同樣，相位調制可以直接與電源相關：

公式7提供了一種機制，用于計算電源紋波引起的RF載波的PM調制。相位調制引起的雜散電平為

幫助可視化 m 的雜散影響有效值和?有效值，雜散電平與 m 的關系圖有效值和?有效值如圖 2 所示。

圖2.雜散電平與m有效值和?有效值.

總結一下這個討論，電源上的紋波轉化為調制項m有效值和?有效值從V電源上的正弦波均方根電壓有效值.Hm（s）和H?（s） 是來自 v 的傳遞函數有效值到 m有效值和?有效值分別。

現在，考慮相位噪聲。正如正弦波調制到載波上產生雜散信號一樣，1/f電壓噪聲密度調制到載波上產生相位噪聲。

圖3.電源上的 1/f 噪聲調制到射頻載波上以產生相位噪聲。

同樣，如果我們考慮具有相位調制的信號x（t），則

在這種情況下，?（t）是一個噪聲項。

功率譜密度定義為

相位噪聲由功率譜密度定義為

接下來，相同的 H? (S） 用于由電源紋波產生的相位調制產生的雜散，應用于相位噪聲。在這種情況下 H? (s） 用于根據電源上的 1/f 噪聲計算相位噪聲。

測量示例

為了演示這些原理，HMC589A RF放大器通過使用多個電源測量這些量來表征電源靈敏度和相位噪聲。用于表征的HMC589A評估電路如圖4所示。

圖4.HMC589A放大器用于演示PSMR原理。

為了表征電源靈敏度，在5 V電源上注入正弦波。正弦波在RF上產生雜散，雜散信號以dBc為單位測量。雜散內容進一步分解為AM分量和PM分量。使用了羅德與施瓦茨FSWP26相位噪聲分析儀和頻譜分析儀。AM和PM雜散電平分別通過AM和PM噪聲測量進行測量，并啟用雜散測量。結果在 3.2 GHz 和 RF 輸入為 0 dBm 的測試條件下以表格形式列出。

輸入正弦波		測量的雜散			計算的 H（s）
頻率	V （有效值）	雜散 （分貝）	雜散 （分貝） 上午	雜散 （dBc） PM	H （s）	H （s） 上午	下午 H （s） 下午
100	0.01	–52.2	–57.3	–53.7	0.35	0.19	0.29
1000	0.01	–52.4	–57.2	–54	0.34	0.20	0.28
10000	0.01	–53.5	–58.3	–55.3	0.30	0.17	0.24
50000	0.0066	–61	–65	–62.9	0.19	0.12	0.15

測試數據表明，射頻放大器的電源靈敏度可以通過正弦波調制進行經驗測量，結果可用于預測電源噪聲對相位噪聲的貢獻。更一般地說，這可以擴展到任何RF組件;在這里，我們通過放大器表征和測量來演示原理。

首先，使用了相當嘈雜的電源。測量噪聲密度。電源對相位噪聲的貢獻是根據表征的H?（s）并與相位噪聲測量進行比較。Rhode & Schwarz FSWP26用于測量。噪聲電壓通過基帶噪聲測量進行測量。放大器殘余相位噪聲是使用測試裝置的內部振蕩器通過加性相位噪聲測量來測量的。測試配置如圖 5 所示。在這種配置中，振蕩器噪聲在混頻器中被消除，任何不常見的噪聲都會在互相關算法中被消除。這允許用戶實現非常低水平的殘余噪聲測量。

圖5.使用互相關方法進行放大器殘余相位噪聲測試設置。

電源噪聲、實測相位噪聲和預測的電源噪聲貢獻如圖6所示。顯而易見的是，相位噪聲主要由100 Hz至100 kHz偏移之間的電源主導，并且可以準確預測電源貢獻。

圖6.使用嘈雜的電源驗證技術。

使用兩個額外的電源重復測試。結果如圖 7 所示。同樣，電源對相位噪聲的貢獻是非常可預測的。

圖7.使用兩個額外的電源驗證該技術。

低相位噪聲元件表征的一個常見挑戰是確保測量是針對器件而不是周圍環境進行的。為了消除測量中的電源貢獻，使用低噪聲穩壓器ADM7150。數據手冊中引用的噪聲密度以及用于相位噪聲測試的器件的噪聲電壓測量值如圖8所示。

圖8.低噪聲穩壓器ADM7150噪聲電壓密度

表2顯示了一系列低噪聲穩壓器，并列出了關鍵參數。此處所示的器件都非常適合為低相位噪聲RF設計中的RF組件供電;有關條件和特性曲線，請參閱數據手冊。在數據手冊中，噪聲密度和PSRR曲線包含在多個失調頻率上。表中顯示了10 kHz偏移的噪聲密度，因為該區域通常是許多穩壓器的限制器。圖中顯示了1 MHz偏移的PSRR，因為許多線性穩壓器在這些失調時會失去抑制能力，需要額外的濾波。

部件號	V在范圍	V外范圍	我外	固定/可調	噪聲密度 @ 10 kHz	PSSR @ 1 MHz
LT3042	1.8 V 至 20 V	0 V 至 15 V	200毫安	可調	2 nV/√赫茲	79分貝
LT3045， LT3045-1	1.8 V 至 20 V	0 V 至 15 V	500毫安	可調	2 nV/√赫茲	76分貝
ADM7154	2.3 V 至 5.5 V	1.2 V 至 3.3 V	600毫安	固定	1.5 nV/√Hz	58分貝
ADM7155	2.3 V 至 5.5 V	1.2 V 至 3.4 V	600毫安	可調	1.5 nV/√Hz	57分貝
ADM7150	4.5 V 至 16 V	1.8 V 至 5 V	800毫安	固定	1.7 nV/√Hz	>60分貝
ADP7156	2.3 V 至 5.5 V	1.2 V 至 3.3 V	1.2 安培	固定	1.7 nV/√Hz	60分貝
ADP7157	2.3 V 至 5.5 V	1.2 V 至 3.3 V	1.2 安培	可調	1.7 nV/√Hz	55分貝
ADP7158	2.3 V 至 5.5 V	1.2 V 至 3.3 V	1 "	固定	1.7 nV/√Hz	50分貝
ADP7159	2.3 V 至 5.5 V	1.2 V 至 3.3 V	1 "	可調	1.7 nV/√Hz	45分貝

由ADM7150供電時HMC589A殘余相位噪聲測試結果如圖9所示。該測量結果顯示了放大器的真實性能，其中本底噪聲低于–170 dBc/Hz，并且該性能一直保持到10 kHz偏移。

圖9.HMC589A殘余相位噪聲為3.2 GHz，輸入RF功率為0 dBm，直流電源來自ADM7150穩壓器。

電源規格的系統化方法

低相位噪聲應用的電源設計通常會導致隨意選擇可用的最佳穩壓選項，而忽略實際的最小規格，從而導致可能的過度設計。對于小批量設計，這種方法可能值得繼續，但對于大批量生產，必須優化性能、成本和復雜性 - 過度設計可能是一種不受歡迎的奢侈品。

以下是定量推導電源規格的方法：

在電源上使用正弦波調制來表征H（s）。H（s）將是頻率的函數，每十年測試一次

為雜散和相位噪聲分配電源貢獻，并略低于RF規格

計算電源紋波規格，

計算電源噪聲規格，

上述步驟 1 中的一個重要考慮因素是了解 H 如何m（s）和H?（s） 根據設計中預期的操作條件而變化。在HMC589A表征中，在多個功率電平下測量了這種變化，如圖10所示。

圖 10.H的變化m（s）和H?（s）與HMC589A評估電路中3.2 GHz時的失調頻率和功率電平的關系。

總結

雖然人們普遍認為，在RF應用中應限制電源紋波和噪聲，但定量影響很少（如果有的話）得到很好的理解。此處所示的系統方法使工作工程師能夠做出明智的電源選擇，方法是在量化電源對所需RF性能的影響的過程中引入紀律。

審核編輯：郭婷