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2021年03月31日 | 一种新颖的天线噪声温度测试方法
2021-03-31 来源：eefocus
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，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：
![[公式]](https://8.eewimg.cn/news/uploadfile/2021/0331/20210331052901197.svg+xml)
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。
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。
图1. 频谱仪噪声系数的校准
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
![[公式]](https://8.eewimg.cn/news/uploadfile/2021/0331/20210331052901962.svg+xml)
(式1)
式中，k为波尔兹曼常数，B为系统带宽， ![[公式]](https://8.eewimg.cn/news/uploadfile/2021/0331/20210331052901726.svg+xml)
和 ![[公式]](https://8.eewimg.cn/news/uploadfile/2021/0331/20210331052902445.svg+xml)
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
![[公式]](https://8.eewimg.cn/news/uploadfile/2021/0331/20210331052903341.svg+xml)
(式2)
两式相比得
![[公式]](https://8.eewimg.cn/news/uploadfile/2021/0331/20210331052903311.svg+xml)
(式3)
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。
图2. 天线噪声温度的测试
假设待测天线的噪声温度为 ![[公式]](https://8.eewimg.cn/news/uploadfile/2021/0331/20210331052904261.svg+xml)
，场放大器的增益为 ![[公式]](https://8.eewimg.cn/news/uploadfile/2021/0331/20210331052904283.svg+xml)
，噪声因子为 ![[公式]](https://8.eewimg.cn/news/uploadfile/2021/0331/20210331052904705.svg+xml)
，则当噪声源“关闭”时，频谱仪测得的噪声功率为
![[公式]](https://8.eewimg.cn/news/uploadfile/2021/0331/20210331052905719.svg+xml)
(式4)
当噪声源“打开”时，则满足
![[公式]](https://8.eewimg.cn/news/uploadfile/2021/0331/20210331052905291.svg+xml)
(式5)
二者取比值得
![[公式]](https://8.eewimg.cn/news/uploadfile/2021/0331/20210331052905646.svg+xml)
(式6)
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(式3)，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，根据(式6)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
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史海拾趣
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