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电源调制比揭秘:PSMR与PSRR有何不同?

摘要

许多雷达系统要求低相位噪声以最大限度抑制杂波。高性能雷达需要特别关注相位噪声,导致在降低频率合成器的相位噪声和表征频率合成器部件的相位噪声方面投入了大量的设计资源。

大家知道,为实现低相位噪声性能,尤其是超低相位噪声性能,必须使用低噪声电源才能达到最佳性能。但文献上没有详细说明如何通过一种系统化方法来量化电源噪声电压电平对相位噪声的影响。本文旨在改变这种状况。

本文提出了电源调制比(PSMR)理论,用来衡量电源缺陷如何被调制到RF载波上。通过电源噪声对RF放大器相位噪声的贡献来验证这一理论;测量结果表明,可以计算并且相当准确地预测该贡献。基于此结果,本文还讨论了描述电源特性的系统化方法。

导言和定义

电源调制比与众所周知的电源抑制比(PSRR)相似,但有一个关键不同点。PSRR衡量电源缺陷直接耦合到器件输出的程度。PSMR衡量电源缺陷(纹波和噪声)如何被调制到RF载波上。

下面的“原理”部分引入了一个将PSMR与电源缺陷相关联的传递函数H(s),用以定量地说明电源缺陷如何被调制到载波上。H(s)具有幅度和相位两个分量,可以随着频率和器件工作条件而变化。尽管变量很多,但一旦确定其特征,便可以利用电源调制比并根据电源数据手册中的纹波和噪声规格来准确预测电源的相位噪声和杂散贡献。

原理

考虑用于RF器件的直流电源上的纹波。电源纹波用一个正弦波信号来模拟,其峰峰值电压以直流输出为中心。该正弦波被调制到RF载波上,在等于正弦波频率的频率偏移处产生杂散信号。

电源调制比揭秘:PSMR与PSRR有何不同?

图1.电源上的正弦波纹波调制到RF载波上产生杂散信号。

杂散水平与正弦波幅度和RF电路灵敏度均有关系。杂散信号可以进一步分解为幅度调制分量和相位调制分量。总杂散功率水平等于幅度调制(AM)分量的杂散功率加上相位调制(PM)分量的杂散功率。

对于这里的讨论,H(s)是从电源缺陷到RF载波上的干扰调制项的传递函数。H(s)同样有AM和PM两个分量。H(s)的AM分量是Hm(s),H(s)的PM分量是H?(s)。以下等式利用H(s)进行实际RF测量,假设低电平调制可用来模拟电源对RF载波的影响。

信号的幅度调制可以写成

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(1)

幅度调制分量m(t)可以写成

电源调制比揭秘:PSMR与PSRR有何不同?

(2)

其中fm是调制频率

RF载波的AM调制电平可以直接与电源纹波相关,关系式如下:

电源调制比揭秘:PSMR与PSRR有何不同?

(3)

vrms是电源电压的交流分量的均方根值。等式3是关键等式,它提供了一种计算电源纹波引起的RF载波AM调制的机制。

杂散电平可以通过幅度调制来计算

电源调制比揭秘:PSMR与PSRR有何不同?

(4)

类似地可以写出电源对相位调制的影响。相位调制信号为

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(5)

相位调制项为

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(6)

同样,相位调制可以直接与电源相关,关系式如下:

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(7)

等式7是提供了一种计算电源纹波引起的RF载波PM调制的机制。相位调制引起的杂散电平为

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(8)

为了帮助可视化mrms和?rms的杂散影响,图2显示了杂散电平与mrms和?rms的关系。

电源调制比揭秘:PSMR与PSRR有何不同?

图2.杂散电平与mrms和 rms的关系

总结一下上面的讨论,电源上的纹波转换为电源电压交流项的均方根电压vrms的调制项mrms和?rms。Hm(s)和H (s)分别是从vrms到mrms和?rms的传递函数。

现在考虑相位噪声。正如正弦波调制到载波上产生杂散信号一样,1/f电压噪声密度也会调制到载波上产生相位噪声。

电源调制比揭秘:PSMR与PSRR有何不同?

图3.电源上的1/f噪声调制到RF载波上产生相位噪声。

同样,如果我们考虑一个具有相位调制的信号x(t),那么

电源调制比揭秘:PSMR与PSRR有何不同?

(9)

在这种情况下,?(t)是一个噪声项。

功率谱密度定义为

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单位是

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(10)

相位噪声依据功率谱密度来定义

电源调制比揭秘:PSMR与PSRR有何不同?

(11)

接下来,对于电源纹波引起的相位调制所产生的杂散,将同样的H? (s)应用于相位噪声。 在这种情况下,H? (s)用于计算电源上1/f噪声产生的相位噪声。

电源调制比揭秘:PSMR与PSRR有何不同?

(12)

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(13)

测量实例

为了演示上述原理,我们表征了HMC589A RF放大器的电源灵敏度和相位噪声,利用多个电源测量了这些量。用于表征的HMC589A评估电路如图4所示。

电源调制比揭秘:PSMR与PSRR有何不同?

图4.使用HMC589A放大器来演示PSMR原理。

为了表征电源灵敏度,将一个正弦波注入5 V电源。正弦波在RF上产生杂散信号,以dBc来衡量杂散信号大小。杂散内容进一步分解为AM分量和PM分量。采用Rohde & Schwarz FSWP26相位噪声分析仪和频谱分析仪。AM和PM杂散电平分别通过AM和PM噪声测量来衡量,并使能杂散测量。结果列成表格,测试条件为3.2 GHz,RF输入为0 dBm。

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