CN112067915A - 一种噪声源定标系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种噪声源定标系统，涉及噪声源定标技术领域。噪声源定标系统包括计算机、噪声比较装置、功率计及功率探头、矢量网络分析仪和配套校准件、信号源、温度计、60dB精密衰减器和匹配负载等通用测量仪器和附件，代替由标准冷/热噪声源和噪声比较装置组成的噪声源定标系统，解决毫米波噪声源定标时定标基准的选择难题，并降低噪声源定标系统的组建成本，简化噪声源定标过程。通过精确确定噪声比较装置的增益带宽积和等效输入噪声温度，去除噪声比较装置在噪声源定标过程引入的误差，实现对待定标噪声源超噪比的精确定标。

Description

一种噪声源定标系统
技术领域
本发明涉及噪声源定标技术领域，具体涉及一种噪声源定标系统。
背景技术
任何电路系统都会产生噪声，从而限制电路和系统接收和处理微弱信号的能力。噪声系数是量化电路处理微弱信号能力最为重要的参数之一，随着装备技术发展的日新月异，对低噪声器件的要求越来越迫切，对噪声系数测量精度也提出了越来越高的要求,高精度的噪声系数测量对于优化整机大小、重量、成本和性能，提高系统可靠性具有重要意义。
噪声系数通常采用噪声系数分析仪进行测量，在测量前必须使用特性精确已知的噪声源对噪声系数分析进行校准，确定噪声系数分析仪自身的测量误差，在进行被测件测量时采用二级误差修正技术去除噪声系数分析仪本身引入的误差，就可以得到被测件精确的噪声系数测量结果。噪声源在出厂前必须进行定标，通过采用一套精度更高的噪声源定标系统进行定标，将作为更高一级基准的噪声定标系统的精度传递给待定标噪声源。噪声源作为噪声系数测量的校准标准源和测量激励源，其本身的定标精度直接决定了最终的测量精度，噪声源定标时引入的误差是引起系统测量不确定度的主要误差来源，精确的噪声源定标可以提高噪声系数的测量精度。
在噪声源定标系统中最关键的是定标基准和溯源物理量基准的选取，通常选取标准冷/热噪声源作为基准噪声源，标准冷/热噪声源一般由终端负载元件(大多由黑体材料)构成,它辐射出(或输出)的资用噪声功率仅仅与它本身的实际物理温度成正比。标准热噪声源的负载电阻元件通常放在电加热器或沸腾液体中,标准冷噪声源的负载元件通常放在致冷剂中,例如放在液氦或液氮中。因为标准冷/热噪声源的基准数值是建立在温度这个基本物理量上的，可以精确溯源，精确很高，是作为基准噪声源的理想方案。但标准冷/热噪声源价格昂贵，使用不便，例如每次使用冷噪声源前必须加注制冷剂，而且目前国内在40GHz以上的毫米波频段也没有标准冷/热噪声源可供选择。
结合图1，传统的噪声源定标系统采用如下形式：
噪声源需要定标的参数称为ENR(超噪比)，定义如下：
Figure BDA0002616224060000011
等式(1)中，Th称为噪声源在源开状态下的等效热噪声温度，单位为K(开尔文)，Tc为噪声源在源关状态的等效冷噪声温度，单位为K(开尔文)，数值等于噪声源所处的环境开氏温度，T0称为标准噪声温度，等于290K，通过等式(1)的定义可知，噪声源定标的关键是要获取噪声源在源开状态下的等效热噪声温度。传统的噪声源定标系统组成如图1所示，由标准冷噪声源、标准热噪声源、待定标噪声源、温度计和噪声比较装置组成，其中标准冷噪声源的等效输出噪声温度为Tcs，标准热噪声源的等效输出噪声温度为Ths，Tcs和Ths的单位为K(开尔文)，数值由标准冷噪声源和标准热噪声源的生产厂商给出。噪声比较装置主要用来测量噪声源输出的噪声功率的大小，但噪声比较装置自身也会产生噪声，因此它实际测量到的噪声功率包括噪声源输出的噪声功率和其自身产生的噪声功率两部分，但噪声比较装置自身的噪声系数不随外接噪声源的不同而变化，这正是传统的噪声源定标系统的工作原理，整个定标过程如下：
(1)设置噪声比较装置的测量接收频率为噪声源的定标频率；
(2)打开平均功能，设置平均次数为8；
(3)设置噪声比较装置的测量参数为冷功率，测量格式为线性格式，连接标准冷噪声源到噪声比较装置，此时噪声比较装置测量到的冷功率为Pcs；
(4)设置噪声比较装置的测量参数为热功率，连接标准热噪声源到噪声比较装置，此时噪声比较装置测量到的热功率为Phs；
(5)计算连接标准冷噪声源和标准热噪声源时测量得到的噪声比较装置的Y因子Ys，计算公式如下：
Figure BDA0002616224060000021
(6)设置噪声比较装置的测量参数为冷功率，测量格式为线性格式，连接待定标噪声源到噪声比较装置，保证待定标噪声源工作在源关的冷功率状态，噪声比较装置测量得到的冷功率为Pcx；
(7)使用温度计测量环境温度，如果测量的温度单位为℃(摄氏度)，在温度数值上加273.15，将以℃(摄氏度)为单位的温度转换为以K(开尔文)为单位的开氏温度，此温度为待定标噪声源工作在源关状态的等效冷噪声温度Tcx。
(8)设置噪声比较装置的测量参数为热功率，测量格式为线性格式，连接待定标噪声源到噪声比较装置，保证待定标噪声源工作的源开的热功率状态，噪声比较装置测量得到的热功率为Phx；
(9)计算连接待定标噪声源时测量得到的噪声比较装置的Y因子Yx，计算公式如下：
Figure BDA0002616224060000022
(10)计算待定标噪声源在定标频点工作在源开状态时的等效热噪声温度Thx，公式如下：
Figure BDA0002616224060000031
上面等式中，Yx为连接待定标噪声源时测量得到的噪声比较装置的Y因子，在步骤(9)测量得到；Tcx为待定标噪声源工作在源关状态的等效冷噪声温度，通过步骤(7)获取；Tcs为标准冷噪声源的等效噪声温度，由冷噪声源生产厂商提供；Ths为标准热噪声源的等效噪声温度，由标准热噪声源生产厂商提供；Ys为连接标准冷/热噪声源时噪声比较装置测量得到的Y因子，通过步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)测量得到。
(11)计算待定标噪声源在定标频点的超噪比ENR，公式如下：
Figure BDA0002616224060000032
公式(5)中，Thx为待定标噪声源在定标频点工作在源开状态的等效热噪声温度，在步骤(10)中通过公式(4)计算获取，Tcx为待定标噪声源工作在源关状态的等效冷噪声温度，通过步骤(7)中获取，T0称为标准噪声温度，等于290K，至此完成待定标噪声源在定标频点的定标。
(12)分别设置噪声比较装置的测量接收频率为噪声源的定标频率，重复步骤(1)～步骤(11)，完成噪声源所有待定标频点的定标。
现有技术的主要缺点是定标基准溯源到温度这个物理量上，采用标准冷/热噪声源作为定标基准，噪声源定标系统的组建比较昂贵，而且目前国内也没有40GHz以上频段的标准冷/热噪声源，无法进行可以精确溯源的噪声源定标。其次现有的传统噪声源定标系统使用起来非常不方便，例如标准冷噪声源放在液氦或液氮等制冷剂中，每次使用前需要将制冷剂注入到标准冷噪声源中，整个定标过程比较繁琐。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足，提出了一种将定标基准溯源到功率物理量上，采用通用测量仪器和测量附件组成的噪声源定标系统。
本发明具体采用如下技术方案：
一种噪声源定标系统，包括计算机、功率计和功率探头、矢量网络分析仪和校准件、信号源、60dB精密衰减器、匹配负载、温度计和噪声比较装置，噪声源定标过程包括以下步骤：
(1)设置噪声比较装置的测量参数为热功率，测量格式为线性格式，测量的分辨率带宽为4MHz，打开平均功能，设置平均次数为8次，扫描方式为固定点频测量模式；
(2)设置矢量网络分析仪的扫描点数为401点，功率为0dBm，中频带宽为100Hz，测量参数为S21，显示格式为线性幅度格式；
(3)设置信号源的中心频率fcenter为噪声源的第i个定标频点，扫描点数为401点，扫描跨度fspan等于噪声比较装置的60dB分辨率带宽，fspan的单位为Hz，401扫描点的频率分别为f1、f2、......f401；
(4)将功率探头连接到信号源输出端进行功率校准，将信号源的输出功率校准为0dBm；
(5)设置矢量网络分析仪的中心频率、扫描跨度与信号源的中心频率fcenter、扫描跨度fspan一致，对矢量网络分析仪进行全二端口校准后，测量60dB精密衰减器的二端口S参数，将衰减器的端口1连接信号源的源信号输出，衰减器的端口2与噪声比较装置的射频输入端口连接，60dB精密衰减器401个测量点的S21测量值分别为S21f1、S21f2、......S21f401；
(6)设置噪声比较装置的固定测量频率等于fcenter；
(7)分别设置信号源的输出频率为固定频率f1、f2、......f401，噪声比较装置对应的热功率测量值分别为PSf1、PSf2、......PSf401，功率的单位为W(瓦),计算得到噪声比较装置第i个定标频点处的增益带宽积BGi为式(6)所示：
Figure BDA0002616224060000041
其中，S21fj(j＝1:401)为60dB精密衰减器在信号源各输出频点对应的S21线性幅度值，fspan为噪声比较装置的60dB分辨率带宽。
(8)在噪声比较装置的端口连接匹配负载，噪声比较装置的对应冷功率测量值为Pci，单位为W(瓦)；
(9)使用温度计测量环境的摄氏温度为Ti，通过式(7)转换为开氏温度Tci：
Tci＝Ti+273.15 (7)。
(10)通过式(8)，计算出噪声比较装置在第i个定标频点的等效输入噪声温度Tei：
Figure BDA0002616224060000042
其中，Pci为噪声比较装置端口连接匹配负载时在第i个定标频点处测量得到的冷功率值，k为玻尔兹曼常数，等于1.380649×10-23J/K，Tci为开氏环境温度，单位为K，BGi为噪声比较装置在第i个定标频点处的增益带宽积；
(11)将待定标噪声源连接到噪声比较装置的射频输入端口，使用噪声比较装置测量待定标噪声源在源开状态下第i个定标频点对应的热功率Phi，单位为W(瓦)，此热功率测量值包括噪声源输出的热功率和噪声比较装置自身产生的噪声功率，通过式(9)计算待定标噪声源在第i个定标频点的等效热噪声温度Thi：
Figure BDA0002616224060000051
其中，k为玻尔兹曼常数，等于1.380649×10-23J/K，BGi为噪声比较装置在第i个定标频点处增益带宽积，Tei为噪声比较装置在第i个定标频点处的等效输入噪声温度；
(12)待定标噪声源在第i频点处的超噪比ENRi通过式(10)获取：
Figure BDA0002616224060000052
其中，Thi为待定标噪声源在第i个定标频点的等效热噪声温度，Tci为待定标噪声源在进行第i个频点定标时的环境开氏温度，T0为标准环境温度，等于290K；
(13)分别设置信号源的中心频率fcenter等于噪声源的各待定标频率，重复步骤(3)～步骤(12)，完成待定标噪声源所有频点的定标。
优选地，在信号源信号输出电缆的末端连60dB精密衰减器，改善信号源的输出匹配指标，并保证输入到噪声比较装置的信号功率在其可接收的范围内。
优选地，步骤(1)中，如果噪声比较装置没有4MHz分辨率带宽档，选择最接近4MHz的分辨率带宽设置。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明采用通用的测量仪器和附件组成噪声源定标系统，将噪声源的定标基准由温度基准变为功率基准，降低了噪声源定标系统的组建成本和定标难度。
(2)本发明通过校准确定噪声比较装置的增益带宽积和等效输入噪声温度，去除了由噪声比较装置引入的定标误差，大大提高定标精度。
附图说明
图1为传统的噪声源定标系统；
图2为本发明提出的噪声源定标系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
结合图2，一种噪声源定标系统，包括计算机、功率计和功率探头、矢量网络分析仪和校准件、信号源、60dB精密衰减器、匹配负载、温度计和噪声比较装置，在信号源信号输出电缆的末端连60dB精密衰减器，改善信号源的输出匹配指标，并保证输入到噪声比较装置的信号功率在其可接收的范围内。
噪声源定标过程包括以下步骤：
(1)设置噪声比较装置的测量参数为热功率，测量格式为线性格式，测量的分辨率带宽为4MHz，如果噪声比较装置没有4MHz分辨率带宽档，选择最接近4MHz的分辨率带宽设置，打开平均功能，设置平均次数为8次，扫描方式为固定点频测量模式。
(2)设置矢量网络分析仪的扫描点数为401点，功率为0dBm，中频带宽为100Hz，测量参数为S21，显示格式为线性幅度格式。
(3)设置信号源的中心频率fcenter为噪声源的第i个定标频点，扫描点数为401点，扫描跨度fspan等于噪声比较装置的60dB分辨率带宽，fspan的单位为Hz，401扫描点的频率分别为f1、f2、......f401。
(4)将功率探头连接到信号源输出端进行功率校准，将信号源的输出功率校准为0dBm。
(5)设置矢量网络分析仪的中心频率、扫描跨度与信号源的中心频率fcenter、扫描跨度fspan一致，对矢量网络分析仪进行全二端口校准后，测量60dB精密衰减器的二端口S参数，将60dB精密衰减器的端口1连接信号源的源信号输出，60dB精密衰减器的端口2与噪声比较装置的射频输入端口连接，60dB精密衰减器401个测量点的S21测量值分别为S21f1、S21f2、......S21f401。
(6)设置噪声比较装置的固定测量频率等于fcenter。
(7)分别设置信号源的输出频率为固定频率f1、f2、......f401，噪声比较装置对应的热功率测量值分别为PSf1、PSf2、......PSf401，单位为W(瓦)，计算得到噪声比较装置第i个定标频点处的增益带宽积BGi为式(6)所示：
Figure BDA0002616224060000061
其中，S21fj(j＝1:401)为60dB精密衰减器在信号源各输出频点对应的S21线性幅度值，通过步骤(5)测量获取，fspan为噪声比较装置的60dB分辨率带宽，在步骤(3)确定。
(8)在噪声比较装置的端口连接匹配负载，噪声比较装置的对应冷功率测量值为Pci，单位为W(瓦)。
(9)使用温度计测量环境的摄氏温度为Ti，通过式(7)转换为开氏温度Tci：
Tci＝Ti+273.15 (7)
(10)通过式(8)，计算出噪声比较装置在第i个定标频点的等效输入噪声温度Tei：
Figure BDA0002616224060000062
其中，Pci为噪声比较装置端口连接匹配负载时在第i个定标频点处测量得到的冷功率值，通过步骤(8)获取，k为玻尔兹曼常数，等于1.380649×10-23J/K，Tci为开氏环境温度，单位为K，通过步骤(9)获取，BGi为噪声比较装置在第i个定标频点处的增益带宽积，通过步骤(7)计算得到。
(11)将待定标噪声源连接到噪声比较装置的射频输入端口，使用噪声比较装置测量待定标噪声源在源开状态下第i个定标频点对应的热功率Phi，单位为W(瓦)，此热功率测量值包括噪声源输出的热功率和噪声比较装置自身产生的噪声功率，通过式(9)计算待定标噪声源在第i个定标频点的等效热噪声温度Thi：
Figure BDA0002616224060000071
其中，k为玻尔兹曼常数，等于1.380649×10-23J/K，BGi为噪声比较装置在第i个定标频点处增益带宽积，通过步骤(7)获取，Tei为噪声比较装置在第i个定标频点处的等效输入噪声温度，通过步骤(10)获取。
(12)待定标噪声源在第i频点处的超噪比ENRi通过式(10)获取：
Figure BDA0002616224060000072
其中，Thi为待定标噪声源在第i个定标频点的等效热噪声温度，通过步骤(11)获取，Tci为待定标噪声源在进行第i个频点定标时的环境开氏温度，通过步骤(9)获取，T0为标准环境温度，等于290K。
(13)分别设置信号源的中心频率fcenter等于噪声源的各待定标频率，重复步骤(3)～步骤(12)，完成待定标噪声源所有频点的定标。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种噪声源定标系统，其特征在于，包括计算机、功率计和功率探头、矢量网络分析仪和校准件、信号源、60dB精密衰减器、匹配负载、温度计和噪声比较装置，噪声源定标过程包括以下步骤：
(1)设置噪声比较装置的测量参数为热功率，测量格式为线性格式，测量的分辨率带宽为4MHz，打开平均功能，设置平均次数为8次，扫描方式为固定点频测量模式；
(2)设置矢量网络分析仪的扫描点数为401点，功率为0dBm，中频带宽为100Hz，测量参数为S21，显示格式为线性幅度格式；
(3)设置信号源的中心频率fcenter为噪声源的第i个定标频点，扫描点数为401点，扫描跨度fspan等于噪声比较装置的60dB分辨率带宽，fspan的单位为Hz，401扫描点的频率分别为f1、f2、......f401；
(4)将功率探头连接到信号源输出端进行功率校准，将信号源的输出功率校准为0dBm；
(5)设置矢量网络分析仪的中心频率、扫描跨度与信号源的中心频率fcenter、扫描跨度fspan一致，对矢量网络分析仪进行全二端口校准后，测量60dB精密衰减器的二端口S参数，将衰减器的端口1连接信号源的源信号输出，衰减器的端口2与噪声比较装置的射频输入端口连接，60dB精密衰减器401个测量点的S21测量值分别为S21f1、S21f2、......S21f401；
(6)设置噪声比较装置的固定测量频率等于fcenter；
(7)分别设置信号源的输出频率为固定频率f1、f2、......f401，噪声比较装置对应的热功率测量值分别为PSf1、PSf2、......PSf401，功率的单位为W(瓦),计算得到噪声比较装置第i个定标频点处的增益带宽积BGi为式(6)所示：
Figure FDA0002616224050000011
其中，S21fj(j＝1:401)为60dB精密衰减器在信号源各输出频点对应的S21线性幅度值，fspan为噪声比较装置的60dB分辨率带宽；
(8)在噪声比较装置的端口连接匹配负载，噪声比较装置的对应冷功率测量值为Pci，单位为W(瓦)；
(9)使用温度计测量环境的摄氏温度为Ti，通过式(7)转换为开氏温度Tci：
Tci＝Ti+273.15 (7)；
(10)通过式(8)，计算出噪声比较装置在第i个定标频点的等效输入噪声温度Tei：
Figure FDA0002616224050000012
其中，Pci为噪声比较装置端口连接匹配负载时在第i个定标频点处测量得到的冷功率值，k为玻尔兹曼常数，等于1.380649×10-23J/K，Tci为开氏环境温度，单位为K，BGi为噪声比较装置在第i个定标频点处的增益带宽积；
(11)将待定标噪声源连接到噪声比较装置的射频输入端口，使用噪声比较装置测量待定标噪声源在源开状态下第i个定标频点对应的热功率Phi，单位为W(瓦)，此热功率测量值包括噪声源输出的热功率和噪声比较装置自身产生的噪声功率，通过式(9)计算待定标噪声源在第i个定标频点的等效热噪声温度Thi：
Figure FDA0002616224050000021
其中，k为玻尔兹曼常数，等于1.380649×10-23J/K，BGi为噪声比较装置在第i个定标频点处增益带宽积，Tei为噪声比较装置在第i个定标频点处的等效输入噪声温度；
(12)待定标噪声源在第i频点处的超噪比ENRi通过式(10)获取：
Figure FDA0002616224050000022
其中，Thi为待定标噪声源在第i个定标频点的等效热噪声温度，Tci为待定标噪声源在进行第i个频点定标时的环境开氏温度，T0为标准环境温度，等于290K；
(13)分别设置信号源的中心频率fcenter等于噪声源的各待定标频率，重复步骤(3)～步骤(12)，完成待定标噪声源所有频点的定标。
2.如权利要求1所述的一种噪声源定标系统，其特征在于，在信号源信号输出电缆的末端连60dB精密衰减器，改善信号源的输出匹配指标，并保证输入到噪声比较装置的信号功率在其可接收的范围内。
3.如权利要求1所述的一种噪声源定标系统，其特征在于，步骤(1)中，如果噪声比较装置没有4MHz分辨率带宽档，选择最接近4MHz的分辨率带宽设置。
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