董 帥，王振占，賀秋瑞

（1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心微波遙技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京100190）

有源微波冷噪聲源技術(shù)研究進(jìn)展

董 帥1，2，王振占1，賀秋瑞1，2

（1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心微波遙技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京100190）

介紹了微波冷噪聲原理，系統(tǒng)闡述了有源微波冷噪聲源設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)分析了關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)對(duì)噪聲源性能產(chǎn)生的影響，梳理了國(guó)內(nèi)外有源微波冷噪聲源技術(shù)的發(fā)展歷程和最新進(jìn)展，分析了采用有源微波冷噪聲源進(jìn)行微波輻射計(jì)兩點(diǎn)定標(biāo)的重要意義、應(yīng)用方案和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

有源微波冷噪聲源；微波輻射計(jì)；定標(biāo)；HEMT

有源微波冷噪聲源（ActiveColdNoiseSource，ACNS）又被稱為有源微波冷負(fù)載（Active Cold Load，ACL），是一種以微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）為核心噪聲發(fā)生元件的新型微波噪聲源。1975年P(guān)ucel提出了完整的FET等效電路模型[1]，在此基礎(chǔ)上，F(xiàn)rater于1981年設(shè)想了一種以FET漏極端接終端負(fù)載，柵極輸出微波噪聲的電路形式，并分析出該種電路可以在常溫條件下輸出等效噪聲溫度極低的微波噪聲 （理論最低可至50 K）[2]。為區(qū)別于電阻形式產(chǎn)生的熱噪聲，Pucel將FET產(chǎn)生的噪聲命名為“冷”噪聲，并預(yù)言了這種冷噪聲源的三大應(yīng)用：為低噪聲接收機(jī)進(jìn)行噪聲測(cè)量時(shí)提供冷負(fù)載；作為三端環(huán)形器的冷終端以降低天線等的失配；在微波輻射測(cè)量領(lǐng)域作為微波輻射計(jì)的冷參考負(fù)載與天線測(cè)得的低溫亮溫進(jìn)行比對(duì)。根據(jù)這一設(shè)想，美Dunleavy在1997年成功研制出第一個(gè)實(shí)用的有源微波冷噪聲源，該噪聲源以InP HEMT管為核心，在K波段實(shí)現(xiàn)了105 K的亮溫輸出[3]。

相比于傳統(tǒng)的采用液氮制冷的冷噪聲源，有源微波冷噪聲源工作于常溫條件，體積小，重量輕，無(wú)需定期加注制冷劑和附加各種保溫隔熱除霜裝置。此種噪聲源適用于各種無(wú)后勤保障的野外場(chǎng)合，具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外廣泛重視。

1 微波冷噪聲理論及有源微波冷噪聲源設(shè)計(jì)

圖1以場(chǎng)效應(yīng)管雙端口微波網(wǎng)絡(luò)噪聲模型，根據(jù)改進(jìn)的微波冷噪聲理論[4]，平面1處向系統(tǒng)方向入射的噪聲溫度為：

其中，T2為負(fù)載溫度，T1是與晶體管輸入端相連的系統(tǒng)的溫度。G12和G21是由晶體管S參數(shù)計(jì)算得到的正向（自柵極向漏極）和反向（自漏極向柵極）功率增益，而Ta、Tb則為：

圖1 雙端口微波網(wǎng)絡(luò)噪聲模型

其中，Te（min）=T0（NFmin-1），Tk=4T0RnGopt。 而 Rn和Gopt分別為晶體管的等效噪聲電阻和最佳噪聲電導(dǎo)。

Γ’opt為非最佳噪聲匹配狀態(tài)下的實(shí)際值，其與Γopt的關(guān)系為：

在實(shí)際研制過(guò)程中，匹配電路的設(shè)計(jì)均要求場(chǎng)效應(yīng)管處于最佳噪聲狀態(tài)，此時(shí) Γ*in=Γopt，從而 ?！鋙pt= 0。在此條件下簡(jiǎn)化Ta、Tb，并代入式（1）中，得到新的Ts，1表達(dá)式對(duì)|ΓL|求偏導(dǎo)得：

，此時(shí)Ts，1取得極值即最小值。在此條件下，這種以場(chǎng)效應(yīng)管為核心的微波電路可以向外輸出最低的噪聲溫度。

上述分析表明，求解Ts，1最小值可轉(zhuǎn)化為求解

|ΓL|的最小值問(wèn)題。

根據(jù)雙端口微波網(wǎng)絡(luò)噪聲理論，在最佳噪聲匹配的條件下有：

應(yīng)當(dāng)注意的是，式（6）里的S參數(shù)為以平面3和平面4作為網(wǎng)絡(luò)端口時(shí)的物理量。由式（6），設(shè)計(jì)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為調(diào)節(jié)平面3/4間的S參數(shù)矩陣使得

|ΓL|最小，則最終可以輸出最低等效溫度的微波冷噪聲。由此得到有源微波冷噪聲源核心電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

根據(jù)上述理論分析，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程可以總結(jié)為：

1）選擇滿足條件的場(chǎng)效應(yīng)管；

2）根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管本征參數(shù)設(shè)計(jì)直流供電電壓、靜態(tài)工作點(diǎn)和直流偏置網(wǎng)絡(luò)；

圖2 有源微波冷噪聲源核心電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3）根據(jù)此靜態(tài)工作點(diǎn)下場(chǎng)效應(yīng)管的等效輸入阻抗設(shè)計(jì)源極電感反饋；

4）設(shè)計(jì)漏極端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)降低負(fù)載溫度T2對(duì)輸入端口噪聲溫度的貢獻(xiàn)；

5）設(shè)計(jì)柵極端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)使之同時(shí)達(dá)到功率匹配條件和最小噪聲匹配條件；

6）對(duì)直流通路與交流通路進(jìn)行隔離。

上述步驟可以反復(fù)迭代，以找到最佳方案。

2 有源微波冷噪聲源國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對(duì)有源微波冷噪聲源的研究最早始于1981年。在FET等效電路模型出現(xiàn)后，研究人員發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ET輸入阻抗的表現(xiàn)形式為一個(gè)起較大貢獻(xiàn)的電容串聯(lián)一個(gè)起較小貢獻(xiàn)的電阻，這種輸入端阻抗形式有一個(gè)潛在意義：如果在源極串聯(lián)一個(gè)無(wú)噪的電感器與等效阻抗中的電容諧振，則只有總輸入阻抗的一部分為電路貢獻(xiàn)了噪聲——此時(shí)這種元件的等效噪聲溫度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其所在的環(huán)境溫度[2]。以此為理論依據(jù)，一種以MESFET場(chǎng)效應(yīng)管為有源核心的冷噪聲源電路構(gòu)想被提出。進(jìn)一步的理論分析證明，基于MESFET電路模型推導(dǎo)而出的小信號(hào)模型具有潛在的“冷”噪聲輸出能力，在某些頻段輸出的等效噪聲溫度接近50K天線溫度。研究人員將這種有源電路的特性稱為 “ColdFET”能力，并預(yù)言其可以作為Dicke型輻射計(jì)的參考負(fù)載。

由于采用小信號(hào)模型得到的電路與此類噪聲源的微波領(lǐng)域應(yīng)用有較大的分析差異，此后的十年中中這種噪聲源的研究進(jìn)展較為緩慢，直到1991年NIST的研究人員提出了一種改進(jìn)的雙端口負(fù)載理論。這種理論采用了微波網(wǎng)絡(luò)分析方法，描述了在輸出端采用匹配負(fù)載終端時(shí)，在輸入端可能獲得的噪聲溫度[4]，由于該理論中完全采用S參數(shù)矩陣作為分析手段，可以直接與各類微波網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，因而更利于此類噪聲源的研制和應(yīng)用。1997年，美國(guó)南佛羅里達(dá)大學(xué)研究人員以InP HEMT管為核心，成功研制出第一個(gè)實(shí)用的有源微波冷噪聲源器件，在K波段實(shí)現(xiàn)了105 K的亮溫輸出[3]。

進(jìn)入新世紀(jì)后，國(guó)外對(duì)有源微波冷噪聲源的研究日趨深入。2000年，誕生了第一片此類微波冷噪聲源的微波單片集成電路（MMIC）：在2～10 GHz頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了90 K的亮溫輸出[5]。2010年，法國(guó)國(guó)家科學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)采用HBT管研制了工作于1 400～1 427 MHz頻段的噪聲源，實(shí)現(xiàn)了低至65 K的輸出亮溫[6-8]，這是首例采用雙極型晶體管研制的ACNS，拓展了ACNS的研制手段。2013年美國(guó)科研人員研制了在1.3～1.5 GHz頻段內(nèi)輸出90 K亮溫的微波冷噪聲源單片器件[9]，并用于微波輻射計(jì)定標(biāo)。近幾年國(guó)外各研究機(jī)構(gòu)相關(guān)成果的集中爆發(fā)表明其在這一領(lǐng)域的技術(shù)已日臻成熟。圖3為美國(guó)研究團(tuán)隊(duì)研制的單片集成電路結(jié)構(gòu)。

圖3 L波段ACNS單片電路結(jié)構(gòu)圖

相比于國(guó)外研究的高速發(fā)展，目前，國(guó)內(nèi)對(duì)這一領(lǐng)域的研究尚顯不足，迄今為止僅有1994年華中科技大學(xué)研究人員的一篇文獻(xiàn)進(jìn)行了跟蹤研究[10]。國(guó)內(nèi)外在此領(lǐng)域的巨大差距急需彌補(bǔ)。

3 有源微波冷噪聲源應(yīng)用與微波輻射計(jì)定標(biāo)

有源微波冷噪聲源能夠向測(cè)量系統(tǒng)饋入低等效溫度噪聲信號(hào)的特性使其在微波輻射計(jì)定標(biāo)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。微波輻射計(jì)是一種被動(dòng)式微波遙感器，其自身不發(fā)射電磁波，而是通過(guò)天線接收觀測(cè)視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)發(fā)射、反射的電磁波信號(hào)。微波輻射計(jì)在大氣溫濕度監(jiān)測(cè)，海洋表面溫鹽、冰蓋及風(fēng)場(chǎng)探測(cè)，地表濕度與植被探查，和行星探測(cè)等諸多領(lǐng)域有重要作用，是微波遙感的主要手段之一[11-12]。

在微波輻射計(jì)研制及應(yīng)用過(guò)程中，輻射計(jì)定標(biāo)是最為重要的環(huán)節(jié)之一，定標(biāo)是建立輻射計(jì)輸出電壓與天線口面視在亮溫間函數(shù)關(guān)系的過(guò)程，定標(biāo)精度直接影響微波輻射計(jì)靈敏度和測(cè)量精度[13]。目前，輻射計(jì)系統(tǒng)多設(shè)計(jì)為線性系統(tǒng)，即輸出電壓與視在亮溫呈線性函數(shù)關(guān)系，因此可采用兩點(diǎn)確定一線的兩點(diǎn)定標(biāo)法進(jìn)行定標(biāo)，這就要求定標(biāo)過(guò)程需要至少兩個(gè)參考定標(biāo)點(diǎn)：一個(gè)高溫定標(biāo)點(diǎn)，一個(gè)低溫定標(biāo)點(diǎn)[14]。為了最大限度的保證輻射計(jì)定標(biāo)的準(zhǔn)確性和精度，兩個(gè)定標(biāo)點(diǎn)所涵蓋的范圍應(yīng)該盡量覆蓋輻射計(jì)潛在探測(cè)目標(biāo)的亮溫區(qū)域。通常，輻射計(jì)所探測(cè)目標(biāo)的亮溫值范圍在30～350 K之間，故理想的高溫定標(biāo)點(diǎn)亮溫應(yīng)當(dāng)高于350 K，而理想的低溫定標(biāo)點(diǎn)亮溫應(yīng)當(dāng)?shù)陀?0 K。

處于350 K附近的高溫定標(biāo)點(diǎn)的獲取較為簡(jiǎn)便，而低溫定標(biāo)點(diǎn)則由于受到種種環(huán)境條件制約而選擇范圍有限。出啊通的低溫定標(biāo)源主要有自然噪聲源和液氮制冷人工噪聲源兩種。自然噪聲源的典型代表是由宇宙微波背景輻射產(chǎn)生的冷空，在較寬的微波頻帶內(nèi)，宇宙微波背景輻射產(chǎn)生均勻的2.725K的輻射亮溫，是一種理想的低溫定標(biāo)源，然而其只能用于星載條件，而地基輻射計(jì)觀測(cè)冷空時(shí)受到大氣輻射傳輸?shù)挠绊懚y以準(zhǔn)確估計(jì)[15]。液氮制冷人工噪聲源主要包括液氮制冷黑體和液氮制冷匹配負(fù)載亮類，原理均為利用低物理溫度產(chǎn)生低輻射亮溫，此類制冷定標(biāo)源原理直接、技術(shù)可靠，但是有體積大、質(zhì)量重、維護(hù)不便等不足，在野外、機(jī)載、星載環(huán)境時(shí)使用成本高昂。而且，在面對(duì)低頻段的大口面天線時(shí)，這種噪聲源很難實(shí)現(xiàn)覆蓋整個(gè)天線口面的溫度均勻性[16]。

在以上兩類傳統(tǒng)低溫定標(biāo)源無(wú)法使用的情況下，微波輻射計(jì)實(shí)時(shí)定標(biāo)過(guò)程僅能依靠常溫定標(biāo)點(diǎn)和高溫定標(biāo)點(diǎn)。這種僅在相對(duì)高溫區(qū)設(shè)置定標(biāo)點(diǎn)的定標(biāo)方法會(huì)在探測(cè)低溫目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生較大的誤差，圖4反映了這種由于低溫定標(biāo)點(diǎn)的缺失所引起的誤差增大現(xiàn)象。

圖4 微波輻射計(jì)兩點(diǎn)定標(biāo)原理圖

圖4（a）表示了沒(méi)有低溫定標(biāo)點(diǎn)時(shí)的情況，（b）則表示了加入低溫定標(biāo)點(diǎn)時(shí)的情況，圖中點(diǎn)劃線代表定標(biāo)所得理想曲線，實(shí)線代表輻射計(jì)真實(shí)的輸入-輸出關(guān)系曲線，兩者之間的差異是由輻射計(jì)自身非線性導(dǎo)致的。（a）、（b）兩圖的對(duì)比說(shuō)明了，在沒(méi)有低溫定標(biāo)點(diǎn)時(shí)，定標(biāo)值與真實(shí)值的偏差在低溫段明顯增大；而引入低溫定標(biāo)點(diǎn)后，則可以更好的矯正定標(biāo)曲線，在整個(gè)觀測(cè)范圍內(nèi)有效控制定標(biāo)偏差。

因此，可以在多種環(huán)境條件下為微波輻射計(jì)提供低溫定標(biāo)點(diǎn)的有源微波冷噪聲源技術(shù)得到國(guó)外了廣泛重視。與之前傳統(tǒng)低溫定標(biāo)源不同，有源微波冷噪聲源作為一個(gè)固態(tài)微波電路器件，體積小、重量輕，工作于常溫條件無(wú)需制冷劑，不要求復(fù)雜的使用條件，可以方便地裝配于接收機(jī)前端，廣泛適用于多種應(yīng)用場(chǎng)合。裝配有此種噪聲源的微波輻射計(jì)可以實(shí)時(shí)地獲取定標(biāo)低點(diǎn)，進(jìn)行大量程差內(nèi)定標(biāo)，實(shí)時(shí)確定輻射計(jì)各通道傳輸特性，盡量減小環(huán)境參數(shù)引起的不可預(yù)估誤差。

采用有源微波冷噪聲源進(jìn)行輻射計(jì)實(shí)時(shí)兩點(diǎn)定標(biāo)的原理圖如圖5所示，在接收機(jī)前端接微波開(kāi)關(guān)，按控制時(shí)序交替的切換至天線饋線、高溫定標(biāo)源、低溫定標(biāo)源之間，以Th、Tc作兩點(diǎn)定標(biāo)，則可求得天線口面觀測(cè)亮溫TA。

圖5 微波輻射計(jì)接收機(jī)系統(tǒng)兩點(diǎn)定標(biāo)示意圖

4 結(jié) 論

有源微波冷噪聲源是在場(chǎng)效應(yīng)管等效電路模型和雙端口微波網(wǎng)絡(luò)噪聲理論基礎(chǔ)上發(fā)展而出的新型微波噪聲源器件。微波場(chǎng)效應(yīng)管獨(dú)特的阻抗和噪聲特性使得以其為核心的有源微波冷噪聲源可以輸出遠(yuǎn)低于自身所處環(huán)境溫度的在噪聲亮溫，是一種性能優(yōu)良的微波輻射計(jì)內(nèi)定標(biāo)低溫源。

文中系統(tǒng)梳理了有源微波冷噪聲源的發(fā)展現(xiàn)狀，闡明了其作為微波輻射計(jì)內(nèi)定標(biāo)低溫源的巨大技術(shù)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)有源微波冷噪聲源工作原理和關(guān)鍵技術(shù)的分析，提出了一種有源微波冷噪聲源設(shè)計(jì)方法。我們將繼續(xù)展開(kāi)對(duì)有源微波冷噪聲源的研究工作，為我國(guó)相關(guān)技術(shù)研究起參考作用。

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Research progress on active cold noise source

DONG Shuai1，2，WANG Zhen-zhan1，HE Qiu-rui1，2
（1.CAS Key Lab.of Microwave Remote Sensing，National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

The theory of microwave cold noise is explained.A new type of microwave noise source is introduced，which is called active cold noise source.A design procedure capable of achieving a minimum noise temperature at a specific bias point is described.The research progress on active cold noise source is teased.The application of active cold noise source is discussed，and an instance that using active cold noise source as radiometer calibration reference standard is presented.

active cold noise source；microwave radiometer；calibration；HEMT

TP732.1

：A

：1674－6236（2017）03-0167-04

2016-03-07稿件編號(hào)：201603082

國(guó)家空間科學(xué)背景型號(hào)重點(diǎn)項(xiàng)目（XDA04061202）

董 帥（1988—），男，山東煙臺(tái)人，博士研究生。研究方向：微波輻射計(jì)系統(tǒng)，定標(biāo)技術(shù)。