陳 勇，孫正文，袁建平，賈良權(quán)，3

(1.中國科學(xué)院新疆天文臺，新疆 烏魯木齊 830011;2.中國科學(xué)院射電天文重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011;3.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049)

在射電天文中使用接收機接收來自射電源的信號，通常接收機接收到的射電信號都非常微弱。當(dāng)射電信號通過接收機時，接收機會將它自身產(chǎn)生的熱噪聲添加到信號中［1］，這降低了所接收信號的信噪比，從而難以觀測到微弱的射電信號。接收機產(chǎn)生的熱噪聲常用等效噪聲溫度表示［2］，為了能夠接收到更多的射電源，接收機的等效噪聲溫度必須非常低，這意味著接收機只能產(chǎn)生非常少的熱噪聲。

現(xiàn)在常用的降低接收機噪聲溫度的方法是在接收機中使用基于高電子遷移率場效應(yīng)管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)的可制冷低噪聲放大器(Low-Noise Amplifier，LNA)，并且將低噪聲放大器及饋源的一部分放置在一個真空制冷室(杜瓦)中。低噪聲放大器在真空制冷室中能夠被制冷到15 K，此時接收機的等效噪聲溫度將低于25 K，而低噪聲放大器的等效噪聲溫度將低于5 K。要準確、快速而且可重復(fù)地測試如此低的噪聲溫度是非常困難的。

1 測量原理

1.1 線性二端口網(wǎng)絡(luò)噪聲輸出功率

當(dāng)一個線性二端口網(wǎng)絡(luò)的輸入端接一個阻抗為Zs、物理溫度為Ts的負載時，根據(jù)Nyquist的分析，負載的熱噪聲資用輸出功率為［3］:

式中，k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10－23J/K;B為待測系統(tǒng)的帶寬。當(dāng)負載產(chǎn)生的熱噪聲資用輸出功率通過低噪聲放大器時，低噪聲放大器的輸出噪聲功率為:

式中，Na為低噪聲放大器自身產(chǎn)生的熱噪聲功率;Ga為低噪聲放大器的增益。

根據(jù)定義［4］:

式中，Te為低噪聲放大器的等效噪聲溫度。

則(2)式變?yōu)?

1.2 Y 因子法

在射電天文中常用Y因子法計算待測設(shè)備(Device Under Test，DUT)的等效噪聲溫度Te，Y因子是當(dāng)待測設(shè)備的輸入負載處于兩種不同的物理溫度時對應(yīng)的輸出功率的比值:

通常實際測得的輸出功率用dB表示，因此Y因子也可以表示成:

轉(zhuǎn)換成線性形式為:

通常這兩種不同物理溫度的熱噪聲輸出功率可通過冷熱負載的方法得到，如圖1。熱負載的物理溫度用Th表示，冷負載的物理溫度用Tc表示。Th和Tc必須經(jīng)過精確測量并且保持不變才能準確計算待測設(shè)備的等效噪聲溫度。

因為冷熱負載的輸出噪聲功率與負載所處的物理溫度成正比，由(4)式和(5)式可得:

因此待測設(shè)備的等效噪聲溫度Te可以用下式計算:

輸出噪聲功率可以用頻譜儀、功率計或者噪聲分析儀測量，記錄的功率值的精度要求達到0.01 dB。因為Y因子法是輸出噪聲功率的比值，因此使用Y因子法測量等效噪聲溫度時要求輸出噪聲功率的相對精度要非常精確。

2 影響精確測量的因素

圖1 負載物理溫度與輸出噪聲功率的線性關(guān)系Fig.1 The linear relation between power output and load temperature

用于射電天文觀測的接收機和低噪聲放大器具有極低的噪聲溫度，因此在測量這些具有極低噪聲溫度的器件時必須要小心細致，否則很難得出正確的測試結(jié)果。

2.1 干擾信號的影響

干擾信號是影響測量精確度的一個重要因素，如果接收機帶內(nèi)有很強的干擾就會影響到接收機的系統(tǒng)噪聲溫度。

避免外來干擾信號最有效的辦法是在設(shè)計接收機時避開有干擾強烈的頻段，這樣在接收機投入使用時也不會受到太強的干擾。但是隨著通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，無線電信號已無處不在，想要完全避開外來干擾信號的影響是非常困難的，因此如果有條件，測量系統(tǒng)噪聲溫度最好能夠在電磁屏蔽室中進行。當(dāng)不能在電磁屏蔽室中測量系統(tǒng)噪聲溫度并且接收機的工作頻段中有非常強的無線電干擾信號時，最好加一個帶阻濾波器濾除干擾頻段的信號。

2.2 不穩(wěn)定性以及非線性的影響

精確的噪聲溫度測量依賴于待測設(shè)備和測試儀器的穩(wěn)定性及線性。在測試之前先將待測設(shè)備和測試儀器預(yù)熱，以防止待測設(shè)備和測試儀器不穩(wěn)定。在測試時必須用精密穩(wěn)壓電源給待測設(shè)備供電以提高測量精度。

在測試時避免待測設(shè)備及測試儀器工作在接近飽和狀態(tài)，這會造成待測設(shè)備及測試儀器非線性。此外Y因子法不適合測試對數(shù)放大器、限幅放大器等非線性器件，也不適合測試自動增益控制(Automatic Gain Control，AGC)電路。

2.3 噪聲源的影響

當(dāng)使用噪聲源作為冷熱負載測量待測設(shè)備噪聲溫度時，即使是經(jīng)過定標的高精度噪聲源，其超噪比(Excess Noise Radio，ENR)的不確定性也達到±0.1 dB［5］，當(dāng)待測設(shè)備的等效噪聲溫度很低時會影響測量的精確度。

噪聲源超噪比的定義為:

廠家給出的噪聲源超噪比值是在環(huán)境溫度T0=290 K時的定標值。如果環(huán)境溫度不是290 K，則必須對噪聲源的超噪比做修正［5］，否則測量結(jié)果將不正確。

此處，ENR'是修正過的噪聲源的超噪比;T是噪聲源實際的物理溫度;T0是參考溫度290 K。

2.4 阻抗不匹配的影響

阻抗不匹配將在測量噪聲功率時產(chǎn)生反射，這會影響到測量結(jié)果的精確性。好的測量噪聲溫度的方法必須要使阻抗不匹配的程度盡可能的小。

基于高電子遷移率場效應(yīng)管的低噪聲放大器有很高的輸入反射系數(shù)，它對輸入阻抗的改變非常敏感。使用Y因子法測量極低的噪聲溫度時，即使輸入阻抗在冷熱兩種負載下發(fā)生非常小的改變也會使測量結(jié)果不準確，因此在測量時必須盡量使輸入阻抗不發(fā)生改變。

3 測量方法

普通的頻譜儀或者功率計由于靈敏度問題無法檢測很低的輸入功率值，為了降低由測試設(shè)備靈敏度引起的測量誤差，必須給測試設(shè)備提供足夠高的輸入功率。當(dāng)測試設(shè)備接熱負載和不接負載時的功率值相差大于20 dB時，由測試設(shè)備自身的靈敏度引起的測量誤差將小于1%。

當(dāng)待測器件是接收機時，由于接收機可以提供足夠高的增益給頻譜儀或者功率計，因此不必考慮待測器件的增益是否足夠的問題。而當(dāng)待測器件是低噪聲放大器時，為了提高測量精度需要在低噪聲放大器后再加一個常溫低噪聲放大器(預(yù)放)提高測量系統(tǒng)的增益。當(dāng)?shù)驮肼暦糯笃鞯脑鲆嬖?0 dB以上時，預(yù)放的噪聲溫度對測量結(jié)果的影響可以忽略不計［6］。

3.1 液氮和常溫微波黑體法

液氮和常溫微波黑體法常用來做高精度的噪聲溫度測量，這種方法測得的噪聲溫度是饋源的噪聲溫度和接收機的噪聲溫度之和。

微波黑體是一種多孔的浸透吸收材料聚氨脂泡沫塑料做成的簇型物體，角錐的長度與微波波長相關(guān)。微波黑體有兩個重要特性:(1)它能全部吸收外來的微波輻射;(2)它在微波波段發(fā)出的電磁輻射強度也僅僅由黑體本身的物理溫度決定。將黑體浸漬在不同的制冷劑中，就能精確、穩(wěn)定地提供不同的溫度標準。使用時將饋源喇叭對準微波黑體，喇叭與微波黑體之間的距離要盡量小，此時饋源喇叭接收到的輻射溫度便是微波黑體自身的物理溫度。

將微波黑體浸漬在液氮中就可以得到微波黑體的冷負載溫度，即液氮的沸點溫度。液氮的沸點溫度與外界環(huán)境無關(guān)，僅與大氣壓有關(guān)，液氮的沸點溫度公式為［7］:

式中，Pa為大氣壓強。由于液氮不純，空氣吸收和輸出傳輸線的損耗等，一般取冷負載的輸入噪聲溫度［8］Tc=(82±2)K。

微波黑體的熱負載溫度是273 K+室溫，室溫可以通過溫度計準確測得。

圖2為液氮和常溫微波黑體法測量饋源和接收機噪聲溫度示意圖。測量時將饋源口朝下固定好，注意不要使饋源口和液氮面接觸。使用液氮時必須注意安全，避免被液氮冷燒傷。

表1為使用液氮和常溫微波黑體法測量的新疆天文臺13 cm常溫接收機和饋源的噪聲溫度，此時環(huán)境溫度為19.5℃，液氮溫度取Tc=80 K。

液氮和常溫微波黑體法是一種常用而又經(jīng)典的辦法，具有測量準確、對測量設(shè)備要求不高等優(yōu)點。

圖2 液氮和常溫微波黑體法Fig.2 Liquid-nitrogen/ambient-aperture alternate loading method

表1 液氮和常溫微波黑體法Table 1 Parameters for the measurements of the liquid-nitrogen/ambient-aperture alternate loading method

3.2 冷空和常溫微波黑體法

冷空和常溫黑體法是測量接收機系統(tǒng)溫度的標準方法，這種方法對大氣微波窗口1 GHz～12 GHz［9］頻率范圍的測量即簡單可行又非常準確。用這種測量方法測量的噪聲溫度是饋源噪聲溫度和接收機噪聲溫度之和。如果已經(jīng)知道了接收機的噪聲溫度，可以用這種方法測量饋源的等效噪聲溫度;同理如果已經(jīng)知道了饋源的噪聲溫度，也可以用這種方法測量接收機的等效噪聲溫度。這種方法還有一個好處就是當(dāng)接收機安裝到天線上以后還可以使用這種方法方便地測量射電天文望遠鏡的系統(tǒng)噪聲溫度。

這種測量方法必須在戶外進行，饋源要放在一個開闊的地方，饋源口朝著冷空，周圍沒有障礙物阻擋，以消除地面噪聲的影響。為了消除太陽和大氣的影響，最好在晴朗的夜空中進行測試。在這種方法中，冷負載由冷空提供，對于晴朗的夜空，冷空的等效噪聲溫度為6 K;熱負載由微波黑體提供，微波黑體的等效噪聲溫度為273 K+環(huán)境溫度。

圖3為冷空和常溫微波黑體法測試饋源和接收機噪聲溫度示意圖。表2為使用冷空和常溫微波黑體法測量的新疆天文臺13 cm常溫接收機和饋源的噪聲溫度，此時環(huán)境溫度為20℃，冷空溫度取Tc=6 K。對比表1和表2可知，用這兩種方法測試的噪聲溫度值相差很小，說明這兩種方法測試的噪聲溫度值都是正確的。

圖3 冷空和常溫微波黑體法Fig.3 Cold-sky/ambient-aperture alternate loading method

表2 冷空和常溫微波黑體法Table2 Parameters for the measurements of the cold-sky/ambient-aperture alternate loading method

3.3 液氮和常溫負載法

用液氮和常溫負載法測量噪聲溫度的原理與液氮和常溫微波黑體法相同，在此測試方法中使用了兩個完全相同的50 Ω匹配負載代替微波黑體。將一個50 Ω匹配負載放在一個裝有液氮的保溫杯中作為冷負載，液氮要完全覆蓋負載，這時冷負載的溫度就是液氮的溫度。另外一個50 Ω匹配負載保持常溫作為熱負載，熱負載的溫度為273 K+室溫。在冷熱負載之間用一個轉(zhuǎn)化開關(guān)控制冷熱噪聲的注入，如圖4。

使用液氮和常溫負載法測試待測器件的噪聲溫度時要注意幾個問題:(1)低噪聲放大器和冷熱負載之間有一段電纜，使得50 Ω的冷熱負載阻抗到達低噪聲放大器輸入端口時并不是真正的50 Ω，會帶來阻抗匹配問題，進而影響到待測器件噪聲溫度的測量精度。(2)電纜的長度必須把握好，電纜如果過長，由于電纜損耗的影響，傳輸?shù)降驮肼暦糯笃鬏斎攵说脑肼暅囟炔⒉皇且旱獪囟?，而是高于液氮的溫度，這會影響到測試的準確性。而如果電纜過短，由于電纜具有導(dǎo)熱性，與電纜相連的低噪聲放大器的物理溫度會受液氮的影響，低噪聲放大器的增益和噪聲溫度是與物理溫度相關(guān)的，物理溫度的變化會影響到測試的準確性。(3)進行多次測量時，阻抗匹配很難達到每次都一樣，這對獲得準確的測試結(jié)果是不利的。

表3為液氮和常溫負載法測量的新疆天文臺3.6 cm制冷接收機的噪聲溫度，此時環(huán)境溫度為12.5℃，液氮溫度取Tc=82 K。

圖4 液氮和常溫負載法Fig.4 Liquid-nitrogen/normal-temperature load-alternating method

表3 液氮和常溫負載法Table 3 Parameters for the measurements of the liquid-nitrogen/normal-temperature load-alternating method

3.4 用標準噪聲源作為冷熱負載法

使用一個經(jīng)過定標的標準噪聲源作為冷熱負載測量噪聲溫度是所有噪聲測試方法中最簡單的一種方法，如圖5。在測量低噪聲器件時，使用超噪比小的噪聲源測量的結(jié)果會更精確，因此常選擇超噪比為6 dB的噪聲源。

當(dāng)給噪聲源點火時，根據(jù)(10)式即可算出熱負載噪聲溫度，如果噪聲源所處的環(huán)境溫度不是290 K，那么熱負載噪聲溫度需要由(11)式修正得到。當(dāng)不給噪聲源點火時，即可得出冷負載噪聲溫度，冷負載噪聲溫度為噪聲源所處的環(huán)境溫度。

如果在待測設(shè)備的輸出端接噪聲分析儀，就可以在噪聲分析儀上直接讀出待測設(shè)備的噪聲溫度。當(dāng)然在待測設(shè)備的輸出端也可以接功率計或頻譜儀測量待測設(shè)備的噪聲溫度。

表4為使用標準噪聲源作為冷熱負載測量的新疆天文臺13 cm制冷接收機的噪聲溫度。

圖5 使用噪聲源作為冷熱負載Fig.5 Noise-source load method

表4 使用噪聲源作為冷熱負載Table 4 Parameters for the measurements of the noise-source load method

3.5 標準噪聲源加衰減器法

在噪聲源后面加一個衰減器也可以起到降低噪聲源超噪比的作用，衰減器的衰減值必須被精確地測量。在這種方法中，噪聲源在點火和不點火狀態(tài)時輸入阻抗的變化以及超噪比的不確定值經(jīng)過衰減器的衰減變的微不足道，因此這種測試噪聲溫度的方法非常準確。

在這種方法中使用了一個15 dB的噪聲源和一個衰減值為20 dB的低溫衰減器，低溫衰減器安裝在噪聲源和低噪聲放大器之間，也在真空制冷室中。因此低溫衰減器的物理溫度與真空制冷室的物理溫度相同為15 K。在室溫(290 K)下，噪聲源在點火和不點火狀態(tài)下的熱噪聲溫度分別為9 460.6 K和290 K。噪聲源產(chǎn)生的熱噪聲溫度被20 dB的低溫衰減器衰減后做為冷熱負載作用到低噪聲放大器的輸入端，冷熱負載的溫度可以通過下式計算:

式中，Ton是噪聲源點火狀態(tài)時的噪聲溫度;Toff是噪聲源不點火狀態(tài)時的噪聲溫度;L是低溫衰減器以及噪聲源到低噪聲放大器之間傳輸線的衰減值之和;Tp是低溫衰減器的物理溫度。因此可以很容易地計算出冷熱負載的值為Th≈109.5 K，Tc≈17.8 K。

在這種方法中，低溫衰減器以及噪聲源到待測設(shè)備之間傳輸線的衰減值必須用網(wǎng)絡(luò)分析儀準確測量。另外如果噪聲源所處的環(huán)境溫度不是290 K，超噪比必須用(11)式校正。

圖6 標準噪聲源加衰減器法Fig.6 Cryogenic-attenuator associated noise-source load method

3.6 負載溫度可變法

前文介紹的幾種測量待測設(shè)備噪聲溫度的方法均使用兩點法測量，即分別測得負載在冷、熱兩種物理溫度環(huán)境下(Tc和Th)的溫度值及待測設(shè)備在這兩種溫度下對應(yīng)的輸出功率(Pc和Ph)計算待測設(shè)備的噪聲溫度。負載溫度可變法［10］則通過測量負載在多個溫度點時對應(yīng)的輸出功率計算待測設(shè)備的噪聲溫度。

負載溫度可變法使用了一個加熱器加熱負載，使負載溫度在一定范圍內(nèi)變化，并用一個溫度傳感器測量負載的溫度，如圖7。

通過測量負載在不同的物理溫度下待測設(shè)備對應(yīng)的輸出功率，就可以擬合出一條如圖1的直線，進而可以計算待測設(shè)備的噪聲溫度。通過增加測試點可以提高直線的擬合精度，通過檢查擬合直線的線性度就可以判斷測量結(jié)果是否精確。

此方法具有精度高、測試結(jié)果容易驗證的優(yōu)點，但是測量速度較慢。

圖7 負載溫度可變法Fig.7 Variable-temperature load method

4 結(jié)束語

高精度的噪聲溫度測量在射電天文中非常重要，但是測量結(jié)果卻很容易受到各種因素的影響，因此只有對測量方法有很深刻的理解才能獲得理想的測量結(jié)果。本文介紹了6種在射電天文中經(jīng)常使用的低噪聲溫度測量方法，每種方法都有自己的優(yōu)點和使用條件，在測試噪聲溫度時可以根據(jù)不同的測試環(huán)境和測試條件選擇使用其中的幾種測試方法。

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