一种新颖的天线噪声温度测试方法

2020-02-18 来源:微波射频网作者:Knight 我要评论(0) 字号:

噪声温度并非是每个天线必测的指标,但是对于诸如卫星通信地面站接收天线等大尺寸天线,噪声温度尤为重要,因为这决定了整个接收机系统的等效噪声温度,继而决定了系统的接收灵敏度。对于这类天线,其噪声温度并不是一成不变的,而是随着天线的俯仰角变化的(天线姿态不同,接收的背景噪声不同),所以测试其噪声温度时,往往是在一定俯仰角时测定的。

本文介绍了一种测试天线噪声温度的新型方法,与传统测试方法的区别在于,该方法可以修正仪表本身噪声系数对测试结果的影响,所以具有更高的精度。

噪声温度与噪声因子是描述同一物理特性的不同参数,二者是一一对应的,关系如下:

T=(F-1)∙T0

其中,F为噪声因子(以对数形式表示,一般称为噪声系数),T为等效噪声温度,T0为常数290K。

对于两端口器件噪声系数的测试,一般使用Y因子法,该方法利用噪声源开、关两种状态时的噪声功率,确定Y因子,进而计算出噪声系数。天线的噪声系数与普通器件的噪声系数有何区别?天线的噪声温度如何测试?

与普通两端口器件不同的是,天线端口输出的噪声功率,不仅包含本身引入的噪声功率,而且包含了所接收的背景辐射噪声。正是因为这一点,天线的俯仰角不同,则天线接收的背景噪声功率不同,那么天线端口输出的噪声功率也不同,所以天线的等效噪声温度不同。

天线噪声温度表征了,在给定环境和俯仰角时,天线端口输出噪声功率的能力!因此,可以将天线本身当作一个噪声源,通过引入场放大器大器表示噪声源打开,取掉场放大器大器表示噪声源关闭,于是也可以使用Y因子法测试,这是本文介绍的测试方法的思路。

类似于Y因子法,文中介绍的天线噪温测试方法也分为两步:1) 频谱仪噪声系数的校准;2) 待测天线噪声温度的测试。校准与测试时,需要使用匹配负载和场放大器,而且要求精确已知场放大器的增益和噪声系数

(a)引入场放大器等效于噪声源打开         (b) 去掉场放大器等效于噪声源关闭

图1. 频谱仪噪声系数的校准

1. 频谱仪自身噪声系数校准

将匹配负载和场放大器当作噪声源,引入场放大器时,相当于噪声源打开;去掉场放大器时,相当于噪声源关闭。两种状态时输出的噪声功率之比定义为Y因子,据此计算出频谱仪本身的噪声系数,图1给出了频谱仪噪声系数校准的连接示意图。

假设在室温下( T0=290K ) 测试,当连接匹配负载时,其产生的噪声功率为kBT0,则频谱仪测得的噪声功率为

Noff=kBT0∙GSA∙FSA

式中,k为波尔兹曼常数,B为系统带宽,GSA和FSA分别为频谱仪的增益和噪声因子。

当引入场放大器时,频谱仪测得的噪声功率为

Non=kBT0∙GSA∙GLNA+kBTLNA∙GSA∙GLNA+kBTSA∙GSA

两式相比得

因场放大器的增益和噪声系数已知,便可以利用上式求解出频谱仪的噪声系数。

2. 天线噪声温度测试

测试思路与上面校准过程类似,将待测天线与场放大器当作噪声源,其中引入场放大器时,相当于噪声源打开;去掉场放大器时,相当于噪声源关闭,测试连接示意图如图2所示。

(a)引入场放大器等效于噪声源打开       (b) 去掉场放大器等效于噪声源关闭

图2. 天线噪声温度的测试

假设待测天线的噪声温度为TA,场放大器的增益为GLNA,噪声因子为FLNA,则当噪声源“关闭”时,频谱仪测得的噪声功率为

Noff=kBTA∙GSA+kBTSA∙GSA

当噪声源“打开”时,则满足

Non=kBTA∙GLNA∙GSA+kBTLNA∙GLNA∙GSA+kBTSA∙GSA

二者取比值得

频谱仪本身的噪声因子已经通过上述校准求得,代入上式,即可求出待测天线的噪声温度。

下面通过一个测试实例,进一步详细地描述整个测试过程。

选择一个增益为20dB、噪声系数为4.5dB的放大器作为场放大器,频谱仪自身噪声系数的校准按照图1所给的连接方式,当等效噪声源关闭和打开时,频谱仪测得的噪声功率如图3所示,此处仅以1GHz处的天线噪声温度测试为例。为防止频谱仪自身的噪声系数太高而影响测试结果,校准时,需要打开频谱仪的预放

根据上述介绍的内容,可以计算出频谱仪在1GHz处的等效噪声温度约为7.34 T0,对应的噪声系数为9.2dB。

待测天线的噪声温度测试按照图2所示的连接方式,图4给出了噪声源关闭和打开时频谱仪测得的噪声功率,最终计算的天线的噪声温度为1.57 T0.

图3. 校准:等效噪声源关闭与打开时的输出噪声功率

图4. 测试:等效噪声源关闭与打开时的输出噪声功率

值得一提的是,本文重点介绍的是测试思路,上面的例子测试的天线并非是大尺寸天线,而是普通的天线,所以对比图3和图4,是否连接天线测得的噪声功率差异并不大。此处仅以此为例,介绍采用该方法测试天线噪声温度的详细过程。

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