CN112255470B - 一种噪声源超噪比测试系统及其测试方法 - Google Patents
一种噪声源超噪比测试系统及其测试方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种噪声源超噪比测试系统及其测试方法。该测试系统包括标准噪声源、衰减器、耦合器、低温放大器、被测噪声源、GM制冷机、噪声系数分析仪、温度传感器和温控仪。本发明通过构建测试系统来测量被测噪声源供电与不供电状态下的低温微波链路的输出Y因子的变化，计算出由耦合器和低温放大器组成的低温微波链路等效噪声温度的增加量，进而确定噪声源的超噪比。和现有技术相比，本发明消除了传统测试时物理开关切换对测试过程及测试结果带来的不良影响，具有测试系统稳定、测试精度高、操作简便等特点。
Description
技术领域
本发明涉及噪声源测试技术领域，具体涉及一种噪声源超噪比测试系统及其测试方法。
背景技术
噪声源和噪声系数分析仪作为测量噪声性能的标准仪器，广泛的用于低温放大器、微波组件及接收前端等微波器件噪声系数的测试。噪声源超噪比的准确度决定了噪声系数测试的测试误差。现有的噪声源超噪比的测量采用微波开关在浸泡于液氮负载、常温负载和被测噪声源之间来回切换，通过与标准温度的对比确定噪声源的等效输出噪声温度，从而确定超噪比。这种方式要求开关在不同状态切换时，负载和噪声源在宽带范围内具有相同的微波阻抗，但是在一般情况下这是很难实现的，尤其是在测量大超噪比的噪声源时，其输出端口并未良好的匹配至50Ω测量系统中，各级失配影响不可避免，测试系统复杂测量重复性低，同时需要注入液氮存在一定的安全隐患，这些因素都会对噪声源超噪比的测试精度造成影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种噪声源超噪比测试系统及其测试方法，该测试系统及其测试方法能够消除传统测试时物理开关切换对测试过程及测试结果带来的不良影响，具有测试系统稳定、测试精度高、操作简便等特点。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种噪声源超噪比测试系统，其特征在于：包括标准噪声源、衰减器、耦合器、低温放大器、被测噪声源、GM制冷机、噪声系数分析仪、温度传感器一和温控仪。所述标准噪声源的输出端接衰减器的输入端，衰减器的输出端接耦合器的输入端，耦合器的输出端接低温放大器的输入端，低温放大器的输出端与噪声系数分析仪的测量端口连接；所述温度传感器一安装在衰减器上；所述温度传感器一与温控仪信号连接。
标准噪声源、被测噪声源、GM制冷机、噪声系数分析仪和温控仪工作在常温状态，都是标准的仪器设备。衰减器、耦合器、低温放大器和温度传感器工作在低温状态。GM制冷机、温控仪不介入微波链路，只是提供工作环境和辅助测量。标准噪声源，用于提供噪声信号。衰减器，是测试链路的一部分，将标准噪声源输出信号幅度降低，降低耦合端口温度的不确定度。耦合器，用于将被测噪声源输出信号耦合至主传输链路。低温放大器，用于放大射频信号，供噪声分析仪测量。GM制冷机是标准仪器，为衰减器、耦合器和低温放大器提供所需要的低温环境温度。噪声系数分析仪是标准仪器，噪声系数分析仪是能够测量并读出低温微波链路输出微波信号的功率比值(Y因子)，为标准噪声源供电。温度传感器，用于测量衰减器的物理温度。温度传感器二，用于监视。温控仪安装在常温环境下，通过导线与温度传感器连接，显示测量温度。
进一步的，所述衰减器、耦合器和低温放大器一同放置在低温杜瓦中，衰减器、耦合器和低温放大器的工作环境温度均小于-253摄氏度，工作环境温度由温度传感器实时监测。温度传感器一的监测结果返回给温控仪。低温杜瓦中各低温部件的工作温度由GM制冷机决定，若GM制冷机不出现异常，工作温度能够满足-253摄氏度。若GM制冷机异常，导致工作温度没有达到器件所需温度，将无法测试。
进一步的，所述低温放大器的增益范围为45dB～55dB，等效噪声温度小于20K。
进一步的，所述被测噪声源与耦合器相连的射频接口处于常温环境下。
进一步的，所述耦合器和低温放大器的安装平台上设有温度传感器二。
本发明还涉及一种上述噪声源超噪比测试系统的测试方法，该方法包括以下步骤：
(1)构建测试系统，将衰减器、耦合器和低噪声放大器置于低温杜瓦内的超低温环境中，GM制冷机提供衰减器、耦合器和低温放大器工作温度；先在耦合器的耦合端口接未供电被测噪声源情况下，采用噪声系数分析仪测得低温放大器输出信号电平的Y因子Y1；再将被测噪声源供电输出噪声信号，保持噪声系数分析仪和其它参测器件参数状态不变，测得低温放大器输出信号电平的Y因子Y2；然后利用下列公式计算出接入被测噪声源时系统等效噪声温度的增加量：
其中，Th表示噪声源打开时经过衰减器达到A端面的等效温度，单位为K；Tc表示噪声源关闭时经过衰减器达到A端面的等效温度，单位为K；Y1表示被测噪声源未供电时噪声系数分析仪测得的Y因子，无单位；Y2表示被测噪声源供电时噪声系数分析仪测得的Y因子，无单位。
(2)计算被测噪声源的超噪比ENR，根据测量到的耦合器接入被测噪声源时系统等效噪声温度的增加量，采用下式计算出被测噪声源的超噪比：
其中，Cou不碍事为耦合器的耦合度，单位为dB；T0表示被测噪声源的环境温度，单位为K。
和现有技术相比，本发明的优点为：
(1)本发明所述的测试系统不存在物理开关切换，降低了各器件级联的失配影响，提高了测试效率，且在测试过程中不用液氮等超低温液体，提升测试的安全性。
(2)本发明使用相对值的方法测量等效噪声温度的增加量，能够消除测试系统的误差，测量不确定度优于1K，直接提升超噪比的测量精度。
附图说明
图1是本发明中测试系统的原理框图。
其中：
1、标准噪声源，2、衰减器，3、耦合器，4、低温放大器，5、噪声系数分析仪，6、被测噪声源，7、GM制冷机，8、低温杜瓦。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示的本发明所述的噪声源超噪比测量系统的原理框图，该系统包括标准噪声源1、衰减器2、耦合器3、低温放大器4、被测噪声源6、GM制冷机7、噪声系数分析仪5、温度传感器一和温控仪。
所述标准噪声源1的输出端接衰减器2的输入端，衰减器2的输出端接耦合器4的输入端，耦合器4的输出端接低温放大器4的输入端，低温放大器4的输出端与噪声系数分析仪5的测量端口连接；所述温度传感器一安装在衰减器2上；所述温度传感器一与温控仪信号连接。所述标准噪声源1和噪声系数分析仪5之间通过同轴电缆连接。所述耦合器4和被测噪声源6之间通过同轴隔热电缆连接。
被测噪声源工作频率范围覆盖1GHz～10GHz，测试频点为1.5GHz，6GHz和8.5GHz；低温放大器4增益为50dB，噪声温度约为6K；耦合器3的耦合度Cou为30dB，环境温度T0为27℃(290K)。该噪声源超噪比测量系统的测量方法为：
第1步，将衰减器2、耦合器3和低温放大器4置于低温杜瓦8内的超低温环境中，采用噪声系数分析仪5分别测量耦合器3的耦合端在被测噪声源6未供电与供电两种状态下的Y因子，然后利用以下公式计算出接入被测噪声源6时系统等效噪声温度的增加量：
耦合器的耦合端口接未供电被测噪声源情况下，采用噪声系数分析仪测得低温放大器输出信号电平的Y因子Y1；再将被测噪声源供电输出噪声信号，保持噪声系数分析仪和其它参测器件参数状态不变，测得低温放大器输出信号电平的Y因子Y2。其中，Th和Tc标准噪声源的超噪比、衰减器的衰减量和衰减器的物理温度有关，在测试系统和测试环境确定时其值为定值，步骤1测量参数值如表1所示。
表1不同频点系统等效噪声温度增加量的计算值
第2步，由测量到的耦合器接入被测噪声源时系统噪声温度的增加量，采用下式计算出被测噪声源的超噪比：
噪声源超噪比计算值如表2所示。
表2不同频点超噪比的计算值
本发明在测试时测试平台开机运行简便，不需要使用浸泡液氮的负载，从而减少了搬运危险物体所带来的的危险。本发明所述的等效噪声温度的测试方法具有高精度的特点，使得测试系统噪声温度增加量Tadd值的不确定度优于0.2K，最终噪声源超噪比不确定度能够优于0.03dB，测试精度优于传统测试方法。
综上所述，本发明通过构建测试系统来测量被测噪声源供电与不供电状态下的低温微波链路的输出Y因子的变化，计算出由耦合器和低温放大器组成的低温微波链路等效噪声温度的增加量，进而确定噪声源的超噪比。和现有技术相比，本发明消除了传统测试时物理开关切换对测试过程及测试结果带来的不良影响，具有测试系统稳定、测试精度高、操作简便等特点。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种噪声源超噪比测试系统，其特征在于：包括标准噪声源、衰减器、耦合器、低温放大器、被测噪声源、GM制冷机、噪声系数分析仪、温度传感器一和温控仪；
所述标准噪声源的输出端接衰减器的输入端，衰减器的输出端接耦合器的输入端，耦合器的输出端接低温放大器的输入端，低温放大器的输出端与噪声系数分析仪的测量端口连接；所述温度传感器一安装在衰减器上；所述温度传感器一与温控仪信号连接；被测噪声源的输出端与耦合器的耦合端口相连；
该测试系统的测试方法包括以下步骤：
(1)构建测试系统，将衰减器、耦合器和低噪声放大器置于低温杜瓦内的超低温环境中，GM制冷机提供衰减器、耦合器和低温放大器工作温度；先在耦合器的耦合端口接未供电被测噪声源情况下，采用噪声系数分析仪测得低温放大器输出信号电平的Y因子Y1；再将被测噪声源供电输出噪声信号，保持噪声系数分析仪和其它参测器件参数状态不变，测得低温放大器输出信号电平的Y因子Y2；然后利用下列公式计算出接入被测噪声源时系统等效噪声温度的增加量：
其中，Th表示噪声源打开时经过衰减器达到A端面的等效温度，单位为K；Tc表示噪声源关闭时经过衰减器达到A端面的等效温度，单位为K；Y1表示被测噪声源未供电时噪声系数分析仪测得的Y因子，无单位；Y2表示被测噪声源供电时噪声系数分析仪测得的Y因子，无单位；
(2)计算被测噪声源的超噪比ENR，根据测量到的耦合器接入被测噪声源时系统等效噪声温度的增加量，采用下式计算出被测噪声源的超噪比：
其中，Cou为耦合器的耦合度，单位为dB；T0表示被测噪声源的环境温度，单位为K。
2.根据权利要求1所述的一种噪声源超噪比测试系统，其特征在于：所述衰减器、耦合器和低温放大器一同放置在低温杜瓦中，衰减器、耦合器和低温放大器的工作环境温度均小于-253摄氏度，工作环境温度由温度传感器一实时监测。
3.根据权利要求1所述的一种噪声源超噪比测试系统，其特征在于：所述低温放大器的增益范围为45dB～55dB，等效噪声温度小于20K。
4.根据权利要求1所述的一种噪声源超噪比测试系统，其特征在于：所述被测噪声源与耦合器相连的射频接口处于常温环境下。
5.根据权利要求1所述的一种噪声源超噪比测试系统，其特征在于：所述耦合器和低温放大器的安装平台上设有温度传感器二。
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