GB 11299.5-1989 卫星通信地球站无线电设备测量方法 第一部分 分系统和分系统组合通用的测量 第五节 噪声温度测量.pdf

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1、中华人民共和国国家标准卫星通信地球站无线电设备测量方法第一部分分系统和分系统组合通用的测量第五节噪声温度测量发布 实施中华人民共和国电子工业部 发布中华人民共和国国家标准卫星通信地球站无线电设备测量方法第一部分分系统和分系统组合通用的测量第五节噪声温度测量中华人民共和国电子工业部 批准 实施本标准为 卫星通信地球站无线电设备测量方法 系列标准之一主题内容与适用范围本标准规定了噪声温度和噪声系数的测量方法本标准适用于测量线性分系统和或以适当接口的分系统组合的噪声温度和噪声系数特殊系统或分系统的测量在本系列标准的第二和第三部分中给出引言噪声是由外部或设备内部产生的 外部噪声主要来自地球以外的噪声源

2、 以及大气层和地球表面的热辐射 内部噪声来源于热噪声和电路噪声 如象真空管内的散弹噪声 互调噪声 以及在半导体内的起伏噪声和铁氧体器件中磁畴界面移动引起的起伏噪声用噪声温度来量度由一个系统或分系统产生的噪声功率是方便的 噪声温度总是 等效 温度 而不是实际温度 它是所有噪声源 热噪声源和非热噪声源 作用结果的一种量度定义下述各种定义适用于本标准噪声功率谱密度噪声功率谱密度定义为式中 噪声功率谱密度 是频率的函数在频率间隔 内所包含的总噪声功率注 在实际应用时 可将噪声功率谱密度认为是 带宽内所包含的噪声功率 用 表示资用噪声功率密度资用噪声功率密度是指噪声源传递到匹配负载的噪声功率密度噪声温度

3、噪声温度是资用噪声功率密度与玻尔兹曼常数之比式中 噪声温度 且是频率的函数玻尔兹曼常数噪声温度总是 等效 温度而不是实际温度 即使当噪声功率来自热源时 噪声温度也不仅是由于单个物体在单一温度下的热辐射保留下标表示等效温度 省略下标则表示实际温度平均噪声温度平均噪声温度 定义为式中 噪声带宽 见 条噪声带宽 内的总噪声功率噪声带宽假如 代表一个无噪声线性网络与频率有关的资用功率增益 而 是该网络在标称中心频率或参考频率 上的资用功率增益 则其噪声带宽 定义为 一个具有矩形辐频特性和资用功率增益 以及噪声功率输出与实际滤波器的输出相等的理想无噪声滤波器的带宽 见图 这里假定噪声功率密度不随频率变化

4、 于是 滤波器输出端的噪声功率可用下式表示式中 滤波器输入端的资用噪声功率密度由式 得出噪声带宽 为这里应注意 噪声带宽 之值不是滤波器的一个恒定参数 它取决于中心频率 的选择而中心频率 又确定资用功率增益工作噪声温度或系统噪声温度一个分系统或分系统组合的工作噪声温度 是指由外部的和内部的 即被测设备内的 所有噪声源产生的噪声所构成的噪声温度以 表示对于一个二端口器件或多个串联的二端口器件 反映到第一级输入端口的工作噪声温度由下式给出式中 输入端口的噪声温度由器件或器件链组成的被测设备的等效输入噪声温度系统噪声温度 常用来表示一个完整的通信系统的噪声温度 以 表示工作噪声温度 不仅应用于完整的

5、通信系统 而且也常用于包括一个噪声源 一个被测的系统或分系统以及负载任意配置的更普遍情况基准噪声源基准噪声源指在测量期间噪声温度保持恒定的噪声源 通常不需知道基准噪声源的噪声温度 如果基准噪声源的噪声温度是已知的 则称其为标准噪声源 基准噪声源的噪声温度可能是环境温度 处于环境温度下的热负载即是一个典型例子基准噪声源常常由一个热负载或一个冷负载及一个处于或接近环境温度的衰减器 基衰减值为组成 见图 在这种情况下基准噪声温度 由下式给定式中 基准噪声源的噪声温度衰减器所处的环境温度二端口器件的等效输入噪声温度一个二端口器件的等效输入噪声温度是一个假想的噪声温度 当加到一个与实际器件具有相同的输入

6、阻抗和增益 理想的无噪声二端口器件时 该噪声温度将产生与实际器件相同的输出噪声功率密度当等效输入噪声温度为 的一个二端口器件与一台温度为 的噪声源连接时 该器件输出的噪声功率密度 为式中 二端口器件的增益如果 是在给定的带宽 内的平均等效输入噪声温度 则二端口器件的输出噪声功率 为式中 噪声带宽假定在噪声带宽 内为常数除非另有规定 等效输入噪声温度均指在一给定带宽内的平均噪声温度 以 表示 输入 参考面 均选在被测设备本身的输入端口平均噪声系数二端口器件的平均噪声系数 是当其输入端的噪声温度为 时 该器件传递给匹配负载的总噪声功率 与在相同条件下在一个理想的无噪声器件输出端可得到的噪声功率 之

7、比式中对于在多个频带上 如外差系统的镜象频率 具有增益的设备 分母 仅包含与调制信号处在相同频带的输入端的噪声功率 这种情况可应用于卫星通信系统 并称为 窄带噪声系数平均噪声系数 与平均等效输入噪声温度 之间的关系可由下列式子得到根据式 和 得到或平均噪声系数通常简称为噪声系数 以 表示一般考虑噪声系数 和等效输入噪声温度 的测量方法 分为宽带法与窄带法 宽带法常用噪声发生器作为测量信号发生器 而窄带法则采用连续波信号发生器作为测量信号发生器通常采用的宽带测量方法是因子法衰减器法自动噪声系数仪 法利用未调制信号的连续波法是最广泛采用的窄带测量方法 从很低的频率到数十千光赫均可采用此方法在具体情

8、况下选择何种方法将取决于许多因素 它们是要求的精度所需的仪器仪器设备的利用率频率范围被测设备的类型是否方便测量速度表 概括给出各种测量方法的主要特点被测设备可以是单一的分系统 例如低噪声放大器 或是一个分系统组合 例如低噪声放大器和下变频器 在本系列标准的第二和第三部分中将给出适用于特殊的系统或分系统的测量方案表 各种测量方法的主要特点方法精度最好 典型频率范围 测量速度因子法功率计法可变衰减器法中等中等衰减器法可变源法固定源法快中等自动噪声系数仪 法 快连续波法 慢测量方法因子法通常采用的 因子法有两种功率计法可变衰减器法这两种方法的主要区别在于对 因子的测量手段功率计法如图 所示 此方法采

9、用一对随机噪声发生器和一台功率计 热噪声发生器的噪声温度 高于冷噪声发生器的噪声温度热 冷噪声发生器对被测设备提供已知的资用功率 输出功率用功率计测量 与两输入功率相对应的两输出功率之比即是 因子 根据测得的 因子和已知的两个噪声源的噪声温度便可计算等效输入噪声温度 和噪声系数这种方法精度高 特别是当测量配置自动化时 在最佳条件下测量误差可小到 典型误差是 因此 当要求高准确度与高精度测量且具备精密的功率计时 通常选择这种方法测量步骤如下参照图 热噪声发生器与被测设备的输入端口相连 并记录功率计读数断开热噪声发生器 将冷噪声发生器与被测设备的输入端口连接 记录功率计读数由式 计算 因子等效输入

10、噪声温度 可按下式计算式中 被测设备的增益被测设备的噪声带宽热噪声发生器的噪声温度冷噪声发生器的噪声温度由式 得到根据 值可从下式计算噪声系数以分贝表示的噪声系数 为可变衰减器法如图 所示 这种测量方法除了用一台精密可变衰减器和一台信号电平指示器来测量 因子之外 其余与 条类似 这种方法可达到的精度与用功率计法可达到的精度相近 但这种方法不需要精密的功率计 主要的测量误差来自衰减器误差而不是噪声源或信号电平指示器的误差 因此 必须确保所用的可变衰减器具有足够高的精度测量步骤如下参照图 将冷噪声发生器与被测设备的输入端口连接 调整可变衰减器 使指示器的指示接近满刻度 记录指示器读数 和以分贝表示

11、的衰减器读数断开冷噪声发生器 将热噪声发生器与被测设备的输入端口连接调整衰减器 使指示器得到相同的读数 记录分贝表示的衰减器读数考虑到下列情况可计算 因子式中 和 为当被测设备的输入端口分别与热和冷噪声发生器连接时其输出端口的噪声功率由式 得到根据 得到 因子知道了 因子 则可按 条计算等效输入噪声温度 和噪声系数此方法不适用于测量低增益的被测设备 因为衰减器的噪声影响太大而使测量精度降低衰减器法此方法与 条的方法类似 区别在于用一只 的精密固定衰减器代替可变衰减器 并用固定的 因子值 即 因此 必须使用输出电平可连续调整的噪声源有两种方法可以采用 最常用的方法是利用一只限温热离子真空二极管作

12、为散弹噪声源 这种噪声源的输出电平是容易调整的另一种方法是利用一台电平固定的噪声发生器和一台可变衰减器 后者用来调整加到被测设备的噪声电平 但此方法不常用选择何种方法 取决于可供使用的仪器和被测设备的频率范围可变源法如图 所示 二极管噪声发生器对被测设备提供一个可调的已知输入功率 噪声带宽应大于被测设备的带宽信号电平指示器提供输出功率的一个参考电平 但其绝对值并不重要由于受到散弹噪声发生器的可用频率范围的限制 这种方法通常只用于 的频率范围 测量精度可达测量步骤如下参照图 被测设备的输出端口与信号电平指示器相连 二极管噪声发生器的发射电流置于零发生器仍与被测设备相连在这种状态下 由于残余的输入

13、热噪声引起的被测设备输出端噪声功率是式中 和 被测设备的增益与带宽被测设备的等效输入噪声温度发生器源阻抗的环境温度调整信号电平指示器的灵敏度 使其指示接近满刻度 记录指示器读数将被测设备与信号电平指示器断开 并将 衰减器接入测试系统增大噪声发生器的发射电流 直到在指示器上得到相同的读数 在这种状态下 被测设备输出端的噪声功率是式中 二极管噪声发生器的总 散弹和热 噪声温度记录噪声发生器上所指示的以分贝为单位的噪声系数 的读数如果发射电流不是按噪声系数 分贝 标定 则 值由式 和 计算和噪声系数 从下式求得固定源法如图 所示 使用一台固定电平噪声发生器 一台已校准的可变衰减器 一只 固定衰减器和

14、一台信号电平指示器 发生器衰减器组合与 条中所述的二极管噪声发生器起相同作用当采用高度精密的噪声发生器和衰减器时 此方法具有高的精度 在最佳条件下测量误差可小到典型误差是 此方法适用于 的频率范围测量步骤如下参照图 被测设备的输出端口与信号电平指示器连接 关断噪声发生器 但仍与衰减器连接在这种状态下 被测设备输出端的噪声功率是式中 被测设备的等效输入噪声温度发生器源阻抗的环境温度调整信号电平指示器的灵敏度 使其指示接近满刻度 记录指示器读数将被测设备与信号电平指示器断开 并将 衰减器接入测试系统接通噪声发生器 并调整可变衰减器直到在指示器上得到相同的读数在这种状态下 被测设备输出端的噪声功率是

15、式中 噪声发生器的噪声温度可变衰减器的透射系数可变衰减器的环境温度被测设备的等效输入噪声温度记录以分贝标定的可变衰减器的衰减值 并利用式 换算成透射系数值从式 和 求得因此自动噪声系数仪 法如图 所示 此方法采用一台开关型随机噪声发生器和一台自动噪声系数仪 来自动测量噪声系数自动噪声系数仪在两个已知的输出功率电平之间周期性地开关噪声发生器 并自动计算噪声系数其值在面板上直接显示 这种方法具有中等精度 因为开关型噪声发生器和自动噪声系数仪中的模拟电路难以校准在最佳条件下测量误差可小到 典型误差是 商品化仪器的标称可用频段是测量步骤如下参照图 噪声发生器电流和其他控制旋钮按厂家说明书调定 置前面板

16、开关使面板上显示噪声系数 如果需要 值可用下式计算式中 以分贝表示的噪声系数而 则按式 计算连续波法连续波法属窄带测量法 如图 所示 主要利用一台可变频率的正弦波信号发生器 若被测设备的噪声带宽是已知的 则这种方法可用来代替那些使用噪声发生器的方法在测试频率 上 信号发生器输入到被测设备的功率已知为 输出功率的两种状态下测量切断连续波信号 在这种情况下的输出功率 完全是噪声接通连续波信号 在这种情况下的输出功率 是噪声与所加连续波信号的混合根据信号发生器输出功率 和测出的被测设备输出功率便可计算噪声系数测量步骤如下参照图 将连续波发生器调谐于频率 其输出电平置于零 发生器仍与被测设备连接 并记

17、下系统的输出功率 在这种状态下 被测设备输出端的噪声功率 是式中 被测设备的等效输入噪声温度连续波发生器源阻抗的环境温度连续波信号发生器的频率仍为 输出电平至少比 大 但不得使被测设备饱和 记录信号发生器的资用功率电平 和被测设备的输出功率值由下列式子计算所以噪声系数 由下式求得这意味着必须知道被测设备的噪声带宽 否则 应采用附录 所给的方法测量结果表示法测量结果应按下述表示等效输入噪声温度 以绝对温度 为单位表示噪声系数 以分贝 为单位表示要规定的细节当要求进行本项测量时 设备技术条件中应包括下列内容所用的测量方法所需的测量设备配置精度测量的频率范围加到被测设备的最大输入电平进行测量时所选的

18、参考面图 平坦噪声带宽的示意图图 衰减器调整基准源的噪声温度图 功率计法测量 因子的设备配置图 用衰减器法测量 因子的设备配置图 可变电平噪声源的 衰减器法测量噪声系数的设备配置图 固定电平噪声源的 衰减器法测量噪声系数的设备配置图 噪声系数的自动测量配置图 连续波法测量噪声系数的设备配置附录噪声带宽测量补充件被测设备的噪声带宽 可通过数值积分得到 图 示出相应的测量设备配置当采用图 的方法时需要工作于线性方式的频谱分析仪测量步骤如下记录仪采用线性图纸被测设备与频谱分析仪不连接在记录上绘出零信号基线被测设备的输出端与频谱分析仪连通并绘出线性振幅频率特性此特性曲线应从中心频率的两侧延伸直到与基线

19、相交利用扫频发生器内的计数器在基线上建立两个频率基准点以便确定每分度的频率增量对于在基线上的每分度 频率刻度 记录幅度的刻度 及其平方为了求出噪声带宽先算出所有振幅的平方和 除以最大振幅的平方 再将此值乘以每分度的频率增量 便得到噪声带宽图 示出另一种可供选择的测量设备配置测量过程同上不同之处在于输入频率是手动调整和射频电压按线性标度记录频率增量应这样选取在被测设备通带中心频率两侧的 下降点之间取得大约 个读数在上述两种测量设备配置中 被测设备均需端接标称负载阻抗 同时还要确保输入到被测设备的电平在每个测试频率是不变的应注意 当在被测设备中出现频率变换时不可用第一种方法图 噪声带宽的测量附加说明本标准由电子工业部第五十四研究所负责起草