CN111900936A - 一种超低温噪声源组件 - Google Patents

Abstract

一种超低温噪声源组件，包括用于产生噪声信号的噪声源电路，用于阻抗匹配和幅度调整的匹配电路，以及用于确定信号输出状态的开关选通电路。噪声源电路由噪声二极管D1及外围电路实现，产生持续的微波白噪声信号；匹配电路由芯片电容、微带线和薄膜电阻实现，用于控制噪声信号输出幅度和匹配噪声源电路和开关选通电路的阻抗；开关选通电路由PIN二极管D1、D2及外围电路实现，根据需要控制输入电平确定噪声信号的输出状态。通过采用本发明公开的噪声源组件，频率覆盖1GHz～10GHz，超噪比大于25dB，平坦度小于±1.5dB，能够稳定工作在10K至77K温区。本发明具有噪声输出稳定、切换速度快、工作温度低等特点，用于低温低噪声放大器噪声温度的测量。

Description

一种超低温噪声源组件

技术领域

本发明涉及微波器件技术领域，具体涉及一种超低温噪声源组件。

背景技术

以HEMT器件为核心部件通过制冷使工作在10K及77K(-253℃，-196℃)温区下的微波放大器在噪声温度、增益、可靠性等方面具有十分优异的性能，近年来多有报道。由于低温低噪声放大器具有极低噪声的特性，能够大幅降低接收机前端引入的噪声，提高接收机系统的灵敏度，已经成功应用于深空探测、射电天文、无线通信等领域。

一般情况下用噪声温度来衡量低温低噪声放大器(LNA)所引入的附加噪声，已应用的低温器件的噪声温度L波段至X波段噪声温度仅有4K～8K左右，而常规的噪声测量方法的中噪声源的不确定度就有±0.10dB(约为±7K)，并且连接低温低噪声放大器与外部环境的射频电缆与转接头温度不均匀也会引入误差；在同样超噪比的误差下，当噪声源的物理温度越接近放大器噪声温度，测试结果越准确。根据以上分析，需要将噪声源与被测低温放大器一起工作在超低温状态下，才能准确测量低温低噪声放大器的噪声温度。

发明内容

本发明提出的一种超低温噪声源组件，能够快速准确测量微波波段低温低噪声放大器的噪声温度。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种超低温噪声源组件，包括用于产生噪声信号的噪声源电路，用于阻抗匹配和幅度调整的匹配电路，以及用于确定信号输出状态的开关选通电路，所述噪声源电路、匹配电路和选通开关电路依次串联；

其中，所述噪声源电路包括直流供电端口P1，电容C1-C4，电感L1、L2，电阻R1、R2，噪声二极管D1；其中，直流供电端口P1、电阻R1、电感L1、电阻R2、电感L2和噪声二极管D1依次串联，电容C1一端接地一端连接电阻R1和电感L1的公共端，电容C2一端接地一端连接电阻R2和电感L2的公共端，电容C3一端接地一端焊接在噪声二极管D1的阴极；噪声二极管D1的阳极通过金丝键合至匹配电路。电容C1-C4，电感L1、L2，电阻R1、R2组成低通滤波网络，消除直流供电端P1对微波噪声信号的影响，匹配噪声二极管D1输出端阻抗；噪声二极管D1的输出端接电容C4隔离直流与微波信号。在电路调试时，由于噪声二极管器件的离散性可适当调整电阻R1的阻值，控制噪声二极管D1的工作电流在8mA左右。

进一步的所述匹配电路由电容C4、C5，微带线TL1、TL2，电阻R4-R6组成；其中，电容C4、微带线TL1、电阻R4、微带线TL1和电容C5依次连接，电阻R5一端接地一端连接微带线TL1和电阻R4的公共端，电阻R6一端接地一端连接电阻R4和微带线TL2的公共端。微带线TL1、TL2为高阻抗线，电阻R4-R6用于调整噪声信号的输出幅度，改善噪声源电路和开关选通电路的端口反射。

进一步的所述开关选通电路包括控制端口P2，信号输出端口P3，电容C6、C7，电感L3，电阻R3，PIN二极管D2、D3；其中，PIN二极管D2、D3的阴极并联接地，阳极与电容C7、信号输出端口P3依次连接；控制端口P2、电阻R3和电感L3依次连接，电容C6一端接地一端连接电阻R3和电感L3的公共端，电容C5，电感L3，电阻R3组成的RLC滤波网络隔离P2直流信号和传输的高频信号，并与电容C6，C7组成开关选通电路输出匹配网路。

由上述技术方案可知，本发明的一种超低温噪声源组件主要是由噪声源电路、匹配电路和开关选通电路组成。噪声源电路由噪声二极管D1及外围电路实现，产生持续的微波白噪声信号；匹配电路由薄膜电阻实现，用于控制噪声信号输出幅度和匹配噪声源电路和开关选通电路的阻抗；开关选通电路由PIN二极管D1、D2及外围电路实现，根据输入电平确定噪声信号的输出状态。通过测量低温下元件的微波参数的方式，设计的噪声源电路和开关选通电路都能稳定的工作在超低温的环境中。通过采用本发明公开的噪声源组件，频率覆盖1GHz～10GHz，超噪比大于25dB，平坦度小于±1.5dB，能够稳定工作在10K至77K温区。

综上所述，本发明具有噪声输出稳定、切换速度快、工作温度低等特点，能够准确测量低温低噪声放大器的噪声温度。

附图说明

图1是本发明的电路示意图；

图2是本发明的超噪比测试结果图；

图3是本发明的使用状态示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本实施例提供一种超低温噪声源组件，如图1所示，包括用于产生噪声信号的噪声源电路，用于阻抗匹配和幅度调整的匹配电路，以及用于确定信号输出状态的开关选通电路。其中，噪声源电路、匹配电路和选通开关电路依次串联。

具体的，所述噪声源电路包括直流供电端口P1，电容C1-C4，电感L1、L2，电阻R1、R2，噪声二极管D1；其中，直流供电端口P1、电阻R1、电感L1、电阻R2、电感L2和噪声二极管D1依次串联，电容C1一端接地一端连接电阻R1和电感L1的公共端，电容C2一端接地一端连接电阻R2和电感L2的公共端，电容C3一端接地一端焊接在噪声二极管D1的阴极；噪声二极管D1的阳极通过金丝键合至匹配电路。电容C1-C4，电感L1、L2，电阻R1、R2组成低通滤波网络，消除直流供电端P1对微波噪声信号的影响，匹配噪声二极管D1输出端阻抗；噪声二极管D1的输出端接电容C4隔离直流与微波信号。在电路调试时，由于噪声二极管器件的离散性可适当调整电阻R1的阻值，控制噪声二极管D1的工作电流在8mA左右。

所述匹配电路由电容C4、C5，微带线TL1、TL2，电阻R4-R6组成；其中，电容C4、微带线TL1、电阻R4、微带线TL1和电容C5依次连接，电阻R5一端接地一端连接微带线TL1和电阻R4的公共端，电阻R6一端接地一端连接电阻R4和微带线TL2的公共端。微带线TL1、TL2为高阻抗线，电阻R4-R6用于调整噪声信号的输出幅度，改善噪声源电路和开关选通电路的端口反射。

所述开关选通电路包括控制端口P2，信号输出端口P3，电容C6、C7，电感L3，电阻R3，PIN二极管D2、D3；其中，PIN二极管D2、D3的阴极并联接地，阳极与电容C7、信号输出端口P3依次连接；控制端口P2、电阻R3和电感L3依次连接，电容C6一端接地一端连接电阻R3和电感L3的公共端。电容C5，电感L3，电阻R3组成的RLC滤波网络隔离P2直流信号和传输的高频信号，并与电容C6，C7组成开关选通电路输出匹配网路。

本实施例通过改变开关选通电路P2端口的电压，可以组件信号输出状态，P2为-5V时组件输出噪声信号，P2为0V时组件无输出信号，切换速度小于10毫秒。

本实施例用低温探针台测量噪声二极管D1和PIN二极管D2，D3超低温S参数的基础上实现组件仿真设计，消除温度变化引起的器件性能的变化，提高组件的设计效率。

本实施例的所述组件工作温度区间为10K至77K，由超低温温度传感器实时监视组件的物理温度，由制冷系统提供稳定的工作环境。

本发明实施例提供的一种超低温噪声源组件中内部元器件的型号可根据实际情况来选择，示例性的，噪声源电路电容元件可以选用芯片电容，电容C1值为0.1μF，电容C2值为330pF，电容C3值为100pF，电容C4值为22pF；电感元件为空芯线圈电感，电感L1值为47nH，电感L2值为12nH或者为一段宽度为0.2mm长度为15mm的微带线；电阻元件可以选用0402封装的贴片电阻，电阻R1值为1.5kΩ，电阻R1值为300Ω；噪声二极管D1采用GaAs工艺，正常工作电流8-12mA，工作频率上限为18GHz，超过工作频率上限时阻抗将变为负值，从而产生自激振荡；P1端口的供电电压为+28V。

示例性的，匹配电路的微带线TL1、TL2的阻抗分别为75Ω和90欧姆，电阻元件选用0402的薄膜电阻，电阻R4值为18Ω，电阻R5和R6的值都为300Ω，能使噪声源电路和开关选通电路的端口回波损耗改善10dB。

示例性的，选通开关电路电容元件可以选用芯片电容，电容C5值为39pF，电容C6和C7值为22pF；电感元件为空芯线圈电感，电感L3值为22nH；电阻元件可以选用0402封装的贴片电阻，电阻R3值为100Ω；PIN二极管D2、D3采用InGaAs工艺，正常工作电流10mA。

本发明实施例提供的一种超低温噪声源组件设计的工作频率范围为1GHz～10GHz，在超低温环境下超噪比(ENR)的实测曲线如图2所示，从图2中可以看出组件的超噪比大于25dB，平坦度小于±1.5dB。

本发明实施例提供的一种超低温噪声源组件使用示意图如图3所示，组件和被测放大器一同放置在冷板上，由循环氦气压缩机和冷头为冷板提供冷量使其温度保持在10K至77K之间，按照图3连接为组件供电，通过控制组件的P2端口将组件产生的噪声信号按照测试要求输入到低温放大器的输入端口，用频谱分析仪测量低温放大器输出端口的功率电平，将两个功率值相除得到Y因子，根据已知的噪声源物理温度和超噪比就可以确定低温放大器的噪声温度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种超低温噪声源组件，其特征在于：

包括用于产生噪声信号的噪声源电路，用于阻抗匹配和幅度调整的匹配电路，以及用于确定信号输出状态的开关选通电路；所述噪声源电路、匹配电路和选通开关电路依次串联；

所述噪声源电路包括直流供电端口P1，电容C1-C3，电感L1、L2，电阻R1、R2，噪声二极管D1；其中，直流供电端口P1、电阻R1、电感L1、电阻R2、电感L2和噪声二极管D1依次串联，电容C1一端接地一端连接电阻R1和电感L1的公共端，电容C2一端接地一端连接电阻R2和电感L2的公共端，电容C3一端接地一端焊接在噪声二极管D1的阴极；噪声二极管D1的阳极通过金丝键合至匹配电路。

2.根据权利要求1所述的超低温噪声源组件，其特征在于：所述匹配电路由电容C4、C5，微带线TL1、TL2，电阻R4-R6组成；其中，电容C4、微带线TL1、电阻R4、微带线TL1和电容C5依次连接，电阻R5一端接地一端连接微带线TL1和电阻R4的公共端，电阻R6一端接地一端连接电阻R4和微带线TL2的公共端。

3.根据权利要求2所述的超低温噪声源组件，其特征在于：所述开关选通电路包括控制端口P2，信号输出端口P3，电容C6、C7，电感L3，电阻R3，PIN二极管D2、D3；其中，PIN二极管D2、D3的阴极并联接地，阳极与电容C7、信号输出端口P3依次连接；控制端口P2、电阻R3和电感L3依次连接，电容C6一端接地一端连接电阻R3和电感L3的公共端。

4.根据权利要求3所述的超低温噪声源组件，其特征在于：

所述噪声源电路的电容元件选用芯片电容，电容C1值为0.1μF，电容C2值为330pF，电容C3值为100pF，电容C4值为22pF；

所述噪声源电路的电感元件为空芯线圈电感，电感L1值为47nH，电感L2值为12nH或者为一段宽度为0.2mm长度为15mm的微带线。

所述噪声源电路的电阻元件选用0402封装的贴片电阻，电阻R1值为1.5kΩ，电阻R2值为300Ω。

5.根据权利要求4所述的超低温噪声源组件，其特征在于：

噪声二极管D1采用GaAs工艺，正常工作电流8-12mA，工作频率上限为18GHz，超过工作频率上限时阻抗将变为负值，从而产生自激振荡；P1端口的供电电压为+28V。

6.根据权利要求1所述的超低温噪声源组件，其特征在于：

所述匹配电路的微带线TL1、TL2的阻抗分别为75Ω和90欧姆，电阻元件选用0402的薄膜电阻，电阻R4值为18Ω，电阻R5和R6的值都为300Ω。

7.根据权利要求1所述的超低温噪声源组件，其特征在于：

所述选通开关电路的电容元件选用芯片电容，电容C5值为39pF，电容C6和C7值为22pF；

所述选通开关电路的电感元件为空芯线圈电感，电感L3值为22nH；

所述选通开关电路的电阻元件选用0402封装的贴片电阻，电阻R3值为100Ω；

PIN二极管D2、D3采用InGaAs工艺，正常工作电流10mA。

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