10GHzのVCOのSSB位相雑音を安価に測りたい

10GHz帯のVCOのSSB位相雑音測定を「安価に」行うというのは、高周波エンジニアにとって非常に現実的かつ悩ましい課題です。KeysightのSSA、R&SのFSWPといった専用のシグナル・ソース・アナライザ（SSA）は数千万円クラスであり、個人や小規模プロジェクトでは手が届きません。

ターゲットとするVCOの位相雑音フロア（例えば10kHzオフセットで-80 dBc/Hzなのか、-110 dBc/Hz以下の高性能品なのか）や、手持ちの機材環境によっていくつかのアプローチがあります。コストパフォーマンスの高い順に4つの現実的なアプローチを提案します。

1. 外部ミキサを用いたダウンコンバージョン法（最も安価）

10GHz対応のスペクトラムアナライザ（あるいは安価なUSB型スペアナ）がない場合でも、「10GHz近辺の固定LO」と「低周波用の安価なスペアナ（数GHz品やSDR）」を組み合わせる手法です。

• 構成:

  • LO（ローカル発振器）: 10GHz近辺のクリーンな固定周波数源。安価なPLLシンセサイザモジュール（Analog DevicesのADF4355/ADF5355搭載の評価ボードや、中国製のMAX2870モジュール等をオーバートーンで使う、または市販の固定DROなど）を用意します。LOの位相雑音はDUT（VCO）より十分に低い必要があります。

  • ミキサ: 10GHz帯対応のパッシブ・ダブルバランスド・ミキサ（ミニサーキット製など、数万円）。

  • 測定器: 数百MHz〜1GHz程度を測定できる安価なスペアナ（Siglent SSA3000Xシリーズや、TinySA Ultra、場合によってはRTL-SDRなどのソフトウェアラジオ）。

• メリット: 測定器自体を低周波用に抑えられるため、システム全体のコストを圧倒的に低く（数万円〜十数万円）抑えられます。

• 注意点: LO自体の位相雑音（特に近傍）がボトルネックになります。また、イメージ周波数やLOリークのケア、および測定系の損失（変換ロス）を補正（キャリブレーション）する必要があります。

2. 周波数分周器（プリスケーラ）によるダウンカウント法

10GHzの信号を、スタティック・プリスケーラ（分周IC）を用いて低周波に落としてから測定する方法です。

• 構成:

  • 10GHz対応の分周IC（1/4や1/8分周。例：Analog Devices/HittiteのHMC365など、10GHz超対応のプリスケーラ評価ボード）を通し、2.5GHzや1.25GHzに落とします。

  • これを手持ちの数GHzクラスの汎用スペアナ（Siglent、あるいは中古のAdvantest/HPなど）の位相雑音測定機能で測定します。

• メリット: 10GHz対応の高価なRFフロントエンドが不要になります。

• 理論的メリット: 周波数をN分周すると、位相雑音は理論上 20 \log_{10}(N)  dB 改善（低下） します（1/4分周なら約12 dB、1/8分周なら約18 dB下がって表示されます）。

• 注意点: * 測定値を10GHz換算するために、測定結果に20 \log_{10}(N) dB を足す必要があります。

  • 分周IC自体の付加位相雑音（Additive Phase Noise）の床（ノイズフロア）以下は測定できません。DUTの位相雑音が比較的大きい（$-90\text{ dBc/Hz} @ 10\text{kHz}$ など）場合には非常に有効ですが、超低ノイズなVCOには向きません。

3. 中堅クラスの汎用スペアナ＋位相雑音オプション

もし社内やラボに、10GHz以上をカバーする汎用スペクトラムアナライザ（Keysight N9010A/B EXA、Anritsu MS2830A/MS2840A、Siglent SSA5000Aなど）が既にある、あるいは中古・レンタルで手に入る場合の王道です。

• アプローチ: 専用の「位相雑音測定ユーティリティ（オプション）」を有効にして測定します。

• メリット: マーカーの手計算が不要で、ログ・オフセット・プロット（10Hz〜10MHzオフセットなど）がワンボタンで綺麗に描画されます。

• 注意点: 「スペアナの内部LOの位相雑音」がDUTの測定限界（測定能力）を決めます。 10GHzキャリアにおけるそのスペアナのカタログスペック（カタログのPhase Noise性能）を確認してください。DUTがそのスペックよりクリーンな場合、スペアナのノイズフロアに蹴られて正確な値が測れません。

4. テストベンチのレンタル、または受託測定サービスの利用（最も確実）

開発が単発、あるいは最終的な評価データ（エビデンス）が必要な場合、ハードウェアを自作・購入するよりも総コストが安くなるケースです。

• レンタル: Keysight E5052B などを数日間だけレンタルする。

• 受託測定: 測定器ベンダーや公的試作・開発支援センター（各都道府県の公設試など）の機器利用スペースにDUTを持ち込んで測定する。

• メリット: 相互相関法（Cross-Correlation）を用いた最高峰の測定環境（内部ノイズを-160 dBc/Hz以下に落とせる環境）で、確実なデータが数万円〜十数万円（利用料）で手に入ります。

おすすめの選定基準

1. VCOのターゲット性能がそこそこ（-85 dBc/Hz @ 10kHz 程度）の場合:

   👉 「2. 分周器（プリスケーラ）」 を自作して数GHz帯の安価なスペアナで受けるのが、最も手軽でコストバランスが良いです。

2. VCOが非常に低ノイズ（-110 dBc/Hz @ 10\text{kHz}$ 以下を狙う）の場合:

   👉 簡易なスペアナや自作LOではノイズフロアに埋もれます。「4. レンタルまたは公的機関の機器利用」 で本物の専用機（SSA）を使うか、あるいは10GHz帯の超低ノイズ基準信号源（DRO等）を用意して「1. ダウンコンバージョン法」 を極める必要があります。