50GHz 高頻段即時自動化殘餘相位雜訊精密量測技術
高頻訊號純淨度，精密量測解析
相位雜訊分析作為評估電子訊號源或元件頻率穩定性的核心指標，傳統上其應用範疇主要集中於國防雷達 (RADAR) 系統的嚴苛驗證需求，然而，隨著高速通訊市場的爆炸性成長，從基礎的晶片組設計製造商到終端的完整系統整合供應商，均已普遍將相位雜訊納入其射頻 (RF) 訊號穩定性效能的關鍵量化標準，這一轉變凸顯了低相位雜訊對於確保高資料傳輸率和訊號完整性的重要性，更進一步而言，相位雜訊的頻譜密度資料可以透過積分運算快速且準確地轉換為時域的抖動 (jitter) 參數，這為評估數位系統中時序精確度的快速抖動分析提供了一種極為可靠且高效的方法。
Holzworth HA7063A 50GHz 下變頻器 （上方）與 HA7062D 相位雜訊分析儀 （下方）組合，此配置可將相位雜訊量測能力擴展至 50GHz，並透過整合式設計簡化高頻殘餘相位雜訊的測試配置。
Holzworth Instrumentation 致力於革新相位雜訊量測的複雜性，力求使其透明化與普及化，此核心理念貫穿於 Holzworth 所有相位雜訊分析產品的設計之中，特別強調操作的簡易性，讓非專業使用者也能快速上手；量測結果的可靠性與可重複性，確保數據的一致與可信；完整的NIST 可追溯性，滿足嚴格的校準要求；以及在合理價格範圍內實現高速的量測效能，這些特性直接解決了工程師在實際測試中常遇到的挑戰。
在技術層面上，相位雜訊分析主要劃分為兩種基礎量測類型：其一是絕對相位雜訊量測，其二是殘餘相位雜訊量測，後者因其能突顯元件附加的雜訊特性，故亦常被稱為「加性 (additive)」相位雜訊量測。
絕對相位雜訊的量測，其目的是精準量化諸如精密時脈、本地振盪器 (LO)、射頻訊號產生器等各類訊號源本身的相位雜訊效能，此方法不僅適用於評估單一獨立運作的裝置，亦可擴展應用於評估整個複雜系統鏈路的總體相位雜訊特性，參照圖 1 所示的簡化版外差升頻轉換 (heterodyne upconversion) 系統示意圖，理論上，絕對相位雜訊可以在此訊號鏈路中的任何一個節點被精確擷取與分析；然而，必須理解的是，在任一特定節點所測得的絕對相位雜訊資料，實際上反映了從訊號鏈路最前端的 LO 訊號源開始，直至該特定量測節點為止，整個路徑上所有元件累積的總體相位雜訊效能，這份絕對資料必然包含了路徑中各個串聯元件及/或子系統可能引入的任何效能劣化因素；因此，當比較某一系統節點的絕對相位雜訊效能與直接在 LO 輸出端測得的原始效能時，若觀察到效能有所下降，則極有可能是由於訊號路徑中的某個或某些子系統元件引入了額外的相位雜訊所致，為了精確地量化這些多埠元件（如放大器、濾波器、混頻器等）各自對系統整體絕對相位雜訊效能的具體貢獻值，就必須轉而採用不同於絕對量測的另一種特定量測策略。
圖 1：顯示量測節點的外差升頻轉換器。
相對於絕對相位雜訊著重於訊號源或系統整體表現的評估，殘餘相位雜訊，現今在業界更普遍地被稱為「加性 (additive)」相位雜訊，它是一種特別設計用以精確驗證一個多埠主動或被動元件（例如放大器、相位鎖定迴路 (PLL)、頻率轉換器、混頻器等）對於通過它的訊號所「貢獻」或「增加」的相位雜訊量，此量測的核心在於分離並量化待測元件自身的雜訊特性，而非其輸入訊號的雜訊，舉例而言，目前市場上越來越多的放大器製造商，在其客戶（通常是系統整合商）的要求下，必須將其產品的殘餘相位雜訊作為出廠前製造效能測試流程中的一個標準檢測項目，這樣做的目的是為了讓系統整合商能夠確保所採購的放大器元件在整合進其複雜系統後，不會因為該元件自身引入的額外相位雜訊而導致整體系統效能劣化到超出預先設定的規格容許上限。
Holzworth HA7062 系列即時相位雜訊分析儀，包括廣受好評的 HA7062D 與 HA7062C 型號，其設計目標是實現絕對相位雜訊量測與殘餘相位雜訊量測兩大功能的全面自動化，極大提升測試效率與數據一致性，儘管這些先進的相位雜訊分析儀本身已提供高達 6GHz、26GHz，乃至 40GHz 的寬廣絕對量測頻率範圍選項，以滿足不同應用場景的需求，但其內建的殘餘量測能力，受限於內部結構，最高支援頻率為 6GHz，對於需要在此頻率以上進行殘餘相位雜訊評估的應用，傳統上與其他相位雜訊分析解決方案類似，可以透過搭建外部的外差降頻轉換 (heterodyne downconversion) 系統來達成更高頻率的量測，然而，這種外部外差配置方案往往相當複雜且極度耗時，因為它要求操作者對每一個連接、校準及隔離細節都給予一絲不苟的關注，以避免引入額外誤差，確保最終獲取準確有效的量測資料。
為了解決高頻殘餘相位雜訊量測中傳統外差測試配置的固有複雜性與耗時問題，Holzworth 推出了 HA7063A 50GHz 下變頻器，此頻器模組的設計，使其能夠與 HA7062 即時相位雜訊分析儀無縫協同運作，構成一個整合度極高、操作便捷的單一測試單元；HA7063A 內部不僅整合了 Holzworth 最新的、具備極低相位雜訊特性的 HSY 系列 RF 合成器作為測試系統所需的本地振盪器 (LO)，更採用了精心設計的類比外差降頻轉換架構，這一系列優化措施，目的在將絕對相位雜訊量測與殘餘相位雜訊量測的系統雜訊底層 (noise floor) 降至最低，從而確保即使在高達 50GHz 的毫米波 (mmWave) 頻段，依然能夠獲得精確可靠的量測結果。
執行精密的殘餘相位雜訊量測時，其核心前提之一是必須在相位雜訊互相關量測系統的兩個訊號路徑中，透過精確調整各自的相位（實質上是訊號的傳輸延遲）來實現系統正交 (system quadrature)，所謂系統正交，是指兩路訊號的相位差達到90度，此時載波訊號可以被有效抑制，從而使得微弱的相位雜訊成分得以被準確偵測；傳統上，設定系統正交狀態通常是藉由手動操作機械式移相器（即延遲線）進行粗調與微調，或是透過更為繁瑣的物理替換不同長度 RF 纜線的試誤過程來達成，這些手動方法不僅效率低下，且難以保證一致性與準確性；為此，為了全面支援並實現自動化的殘餘量測流程，Holzworth 特別開發並製造了 HX5100 系列電子移相器，該系列電子移相器能夠直接與 Holzworth 的相位雜訊測試系統進行電氣連接，並由測試系統軟體自動進行精密調整以達到最佳的正交狀態，圖 2 中的系統方塊圖清晰地展示了採用 HA7063A 50GHz 下變頻器進行殘餘量測時的標準測試配置。
圖 2：HA7063A 50GHz 下變頻器的殘餘量測測試配置。
參照圖 2 所示的殘餘相位雜訊測試典型配置，該設置需要兩個外部的 HX5100 系列電子移相器；一個用於精確分配測試訊號的三路功率分配器，以及一個能產生所需測試頻率的穩定訊號源，值得注意的是，此訊號源可以直接利用 HA7063A 內部整合的 HSY 系列 LO 達成，這些高品質的內部 LO 訊號輸出可透過 HA7063A 的前面板 RF 輸出埠便捷取得，並且其頻率與功率等參數均可藉由直觀的虛擬前面板圖形化使用者介面 (GUI) 進行獨立且精確的控制，這些內建 LO 的工作頻率可高達 24GHz，在多數測試場景下，任選其中一個即可作為整個殘餘測試系統的參考訊號源，這不僅能進一步精簡測試系統所需的外部儀器設備清單，也降低了整體設置的複雜度。
在完成上述所有硬體連接與配置後，使用者僅需透過操作免驅動程式的圖形化使用者介面 (GUI) 進行數個簡單的參數選擇，即可啟動量測，這裡需特別指出，針對高度自動化的自動化測試設備 (ATE) 環境中的製造測試應用，此相位雜訊分析系統亦支援透過命令列介面進行完整的程式化控制與自動化操作，從而完全無需人工干預 GUI 介面。
於 GUI 操作介面中，使用者首先需將「Measurement Type」（量測類型）的下拉選單設定為「Additive」（加性，即殘餘相位雜訊），並將「Phase Shifters」（移相器）的下拉選單選擇為對應的「HX5100」型號，完成這些基本設定後，系統此時將已自動完成所有必要的內部頻率參數與功率位準調整，以確保其輸入端與來自待測物 (DUT) 的 RF 訊號特性完美匹配，接著，使用者可以根據所需的量測精度與時間要求，選擇從 1 次到無限多次（持續平均）的互相關 (cross correlations) 運算次數，一旦選定「Acquire」（擷取）按鈕，此高效的即時互相關測試系統將立即驅動 HX5100 電子移相器自動調整相位以達成系統正交 (quadrature) 狀態，並隨即執行高精度的殘餘相位雜訊量測。
Holzworth 工程團隊積極回應並深刻理解客戶對於一套操作直接、結果可靠的殘餘相位雜訊測試系統的迫切需求，此系統的開發目標是全面滿足從相對較低的 10MHz 頻率點，貫穿至國防應用中至關重要的 X 頻段雷達 (X-band RADAR) 運作範圍，乃至一路向上延伸至涵蓋下一代 5G 通訊、先進軍事通訊系統以及其他眾多新興應用所需的毫米波 (mmWave) 頻段的各類元件與系統製造商的測試需求。
此款 HA7063A 50GHz 下變頻器，當其與 HA7062D 或 HA7062C 等即時相位雜訊分析儀整合運作時，能顯著簡化傳統上極為複雜的殘餘相位雜訊量測流程，這一整合方案不僅大幅節省了使用者寶貴的初始設置與校準時間，更有助於從根本上消除因手動操作可能引入的潛在設置錯誤，從而快速提供具有高度準確性且可追溯至 NIST 標準的量測資料，Holzworth 旗下所有相位雜訊分析產品的校準程序，均嚴格遵循 ISO 17025:2017 品質管理系統標準以及 ANSI z540.1 校準實驗室與量測設備要求，確保了最高的量測品質與國際公信力。
產品技術特性與應用深度解析
Holzworth 的先進量測方案，特別是 HA7063A 50GHz 下變頻器與 HA7062D／HA7062C 即時相位雜訊分析儀的精密組合，為現代高頻通訊、航太國防以及尖端雷達系統等領域中對訊號純淨度有著極端嚴苛要求的測試需求，提供了卓越且高效的技術支援。
HA7063A 的核心技術優勢，在於其突破性地將儀器等級的殘餘相位雜訊量測能力，從傳統的數 GHz 頻段一舉提升至 50GHz 的毫米波領域，這有效解決了在高頻段進行加性相位雜訊評估時，傳統外部外差降頻轉換配置所固有的高度複雜性、潜在誤差源以及冗長的設置時間等痛點，其內部精密整合了運作頻率高達 24GHz 的 HSY 系列超低相位雜訊 RF 合成器，這些合成器可靈活用作測試系統所需的本地振盪器 (LO)，不僅大幅簡化了整體測試配置的複雜度，更關鍵的是，結合其精心設計的類比外差降頻轉換架構，能夠極致地優化整個量測鏈路的絕對與殘餘量測雜訊底層，這對於需要精確評估如高頻放大器、精密混頻器、頻率轉換器等高頻多埠有源或無源元件自身所引入的微弱加性相位雜訊的工程師而言，無疑是一項至關重要的核心功能。
與此同時，HA7062 系列分析儀（例如 HA7062D 和 HA7062C 型號） 則提供了業界領先的即時相位雜訊分析能力，其強大的處理核心能夠全自動、高效率地執行絕對相位雜訊量測與殘餘相位雜訊量測，這些分析儀的設計自始至終貫徹了「以使用者為中心」的理念，特別著重於操作的易用性，透過其高度直觀的圖形化使用者介面 (GUI)（同時也為滿足自動化測試設備 (ATE) 應用需求而提供了完整的命令列程式化控制介面），並藉由與 HX5100 系列電子移相器的無縫整合，實現了系統正交狀態的自動精密校準，這不僅顯著降低了對操作人員專業技能的要求門檻，更大幅提升了量測流程的整體效率與最終結果的可重複性，此外，其支援從單次到無限多次（持續平均）的寬範圍互相關次數選擇，賦予使用者根據特定測試需求在量測精度與速度之間進行最佳平衡的彈性，從而確保了每一筆量測資料的內在準確性。
綜合而言，Holzworth 的上述產品組合，為廣大工程技術人員提供了一套涵蓋從 10MHz 基礎頻段至 50GHz 毫米波頻段的完整、精密且高度自動化的相位雜訊與加性相位雜訊量測解決方案，無論應用場景是積體電路晶片等級的深入特性分析、國防工業中對雷達系統效能的嚴格驗證，還是新興的 5G/6G 通訊基礎設施及先進軍事通訊技術的尖端研發，此套系統均能始終如一地提供快速、精確且完全符合 NIST 可追溯性要求以及 ISO 17025:2017 校準實驗室標準的寶貴資料，從而有力協助工程師們從容應對在高頻 RF 訊號穩定性分析領域所面臨的各種複雜挑戰，最終確保其設計的元件與系統均能達到卓越的效能指標。