頻譜儀的本底噪聲對(duì)天線噪聲溫度測(cè)量的影響

吳偉偉，秦順友(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081)

頻譜儀的本底噪聲對(duì)天線噪聲溫度測(cè)量的影響

吳偉偉，秦順友
(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081)

頻譜儀廣泛應(yīng)用于射頻信號(hào)測(cè)量。簡(jiǎn)述了頻譜儀靈敏度與噪聲系數(shù)的基本概念。分析了頻譜儀本底噪聲對(duì)噪聲信號(hào)測(cè)量的影響，論述了頻譜儀噪聲功率測(cè)量誤差的修正計(jì)算方法，給出了測(cè)量噪聲功率比與修正因子的關(guān)系曲線。以地面站天線噪聲溫度測(cè)量為例，簡(jiǎn)述了Y因子法測(cè)量地面站天線噪聲溫度的基本原理。導(dǎo)出了測(cè)量Y因子的修正計(jì)算公式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)天線噪聲溫度測(cè)量的修正。最后，以C波段13m車載天線噪聲溫度測(cè)量為例，說明頻譜儀本底噪聲對(duì)地面站天線噪聲溫度測(cè)量的影響。

頻譜儀；噪聲系數(shù)；靈敏度；本底噪聲；修正因子；Y因子；天線噪聲溫度測(cè)量

0 引言

頻譜分析儀是用來測(cè)量射頻信號(hào)幅度和頻率的儀器，廣泛應(yīng)用于無線電技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域[1-2]，例如：移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、廣播電視、空間科學(xué)、偵察與干擾、電磁干擾與電磁兼容等領(lǐng)域。頻譜分析儀可對(duì)各種類型的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和分析時(shí)，可測(cè)量信號(hào)的不同特性，如可測(cè)量射頻信號(hào)傳輸增益衰減特性、信號(hào)幅度和頻率特性、信號(hào)失真特性、信號(hào)噪聲邊帶和和相位噪聲特性等。當(dāng)用頻譜儀測(cè)量的噪聲信號(hào)時(shí)，由于頻譜分析儀內(nèi)部噪聲信號(hào)的影響，使測(cè)量噪聲信號(hào)電平高于實(shí)際的噪聲信號(hào)電平，特別是測(cè)量噪聲信號(hào)電平接近頻譜分析儀的本底噪聲時(shí)，其測(cè)量誤差更大[3-4]。本文論述了頻譜儀測(cè)量噪聲功率時(shí)，頻譜儀本底噪聲的影響以及修正因子計(jì)算方法，研究了頻譜儀本底噪聲對(duì)地面站天線噪聲溫度測(cè)量的影響。

1 頻譜儀靈敏度與噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)定義為射頻或微波器件的輸入信噪比與輸出信噪比的之比，用公式表示為[5]：

(1)

式中：NF-頻譜儀的噪聲系數(shù)；Sin-頻譜儀的輸入信號(hào)功率；Nin-頻譜儀的輸入噪聲功率；Sout-頻譜儀的輸出信號(hào)功率；Nout-頻譜儀的輸出噪聲功率。

對(duì)于頻譜儀來說，其測(cè)量的輸出信號(hào)功率Sout等于輸入信號(hào)功率Sin，則式(1)可簡(jiǎn)化為：

(2)

式(2)用分貝表示為：

NF=10×log(Nout)-10×log(Nin)

(3)

頻譜儀輸入端的噪聲功率可表示為：

Nin=kT0B

(4)

式中：k-波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23(J/K)；B-頻譜儀的噪聲帶寬(Hz)；T0-環(huán)境溫度(K)。

由式(3)和式(4)可得頻譜儀用分貝表示的輸出噪聲功率為：

Nout=NF+10×log(kT0B)

(5)

式(5)就是在一定帶寬情況下，頻譜儀的輸出噪聲功率。頻譜分析儀靈敏度是指在一定帶寬情況下，頻譜儀測(cè)量最小信號(hào)的能力，實(shí)際上就是頻譜分析儀顯示的平均噪聲信號(hào)電平，用DNAL表示。它與頻譜儀噪聲系數(shù)的關(guān)系為：

DNAL=NF+10×log(kT0B)

(6)

式(6)是頻譜分析儀靈敏度的計(jì)算公式，該公式?jīng)]有考慮頻譜分析儀的射頻輸入衰減，即頻譜儀的射頻輸入衰減ATTEN等于0dB。對(duì)于一般的微波頻譜儀，其測(cè)量信號(hào)的噪聲帶寬近似等于1.2倍的頻譜儀分辨帶寬RBW，當(dāng)環(huán)境溫度T0=290K，并考慮頻譜儀射頻輸入衰減，則式(6)可進(jìn)一步表示為：

DNAL=-174+NF+10×log(1.2×RBW)+ATTEN

(7)

例如Agilent 8563EC頻譜儀在射頻輸入衰減ATTEN為0dB，頻譜儀分辨帶寬等于1Hz，工作頻段在22～26.5GHz時(shí)，頻譜儀的噪聲系數(shù)為34.21dB，則由式(7)可計(jì)算得頻譜儀的靈敏度為-139dBm。

2 頻譜儀測(cè)量噪聲功率的修正

用頻譜儀測(cè)量信號(hào)時(shí)，通常是沒有考慮儀器內(nèi)部噪聲的影響。實(shí)際上頻譜儀測(cè)量的信號(hào)疊加了內(nèi)部噪聲信號(hào)，從而使測(cè)量信號(hào)電平高于實(shí)際信號(hào)電平，引起測(cè)量誤差，特別是當(dāng)測(cè)量信號(hào)接近儀器本底噪聲時(shí)，測(cè)量誤差更大。因此，為了精確測(cè)量信號(hào)電平，應(yīng)考慮頻譜儀本底噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

我們定義頻譜儀測(cè)量噪聲功率與本底噪聲功率之比，稱為測(cè)量噪聲功率比，用NRmea表示；實(shí)際噪聲功率與本底噪聲功率之比，稱為實(shí)際噪聲功率比，用NRact表示。則用分貝表示的測(cè)量噪聲功率比和實(shí)際噪聲功率比NRact分別為：

NRmea=Nmea-Nfloor

(8)

NRact=Nact-Nfloor

(9)

式中：Nmea-頻譜儀測(cè)量的噪聲功率(dBm)；Nfloor-頻譜儀的本底噪聲功率(dBm)；NRact-實(shí)際的噪聲功率(dBm)。

由測(cè)量噪聲功率比NRmea，用下式計(jì)算實(shí)際噪聲功率比[6-7]：

(10)

噪聲功率測(cè)量的修正因子CF定義為：

CF=NRmea-NRact

(11)

將式(10)帶入式(11)可得：

(12)

式(10)物理意義是由頻譜儀測(cè)量的噪聲功率比可計(jì)算出實(shí)際的噪聲功率比，從而由式(11)或式(12)可計(jì)算修正因子的大小。圖1給出了測(cè)量噪聲功率比與修正因子的關(guān)系曲線。顯然，由頻譜儀測(cè)量的噪聲功率比，利用圖1可確定修正因子CF的大小，對(duì)頻譜儀測(cè)量的噪聲功率進(jìn)行修正，可得實(shí)際的噪聲功率為：

Nact=Nmea-CF

(13)

由圖1可知：只要知道頻譜儀測(cè)量的噪聲功率比，就可確定修正因子的大小，從而對(duì)頻譜儀測(cè)量的噪聲功率進(jìn)行修正。例如當(dāng)測(cè)量的頻譜儀本底噪聲功率為-90dBm，測(cè)量的噪聲信號(hào)功率為-80dBm，可得測(cè)量的噪聲功率比為10dB，由圖1可確定修正因子為0.458dB，則考慮頻譜儀本機(jī)噪聲的影響，實(shí)際的噪聲功率電平為-80.458dBm；圖1還表明：當(dāng)頻譜儀測(cè)量的噪聲功率功率比大于或等于20dB時(shí)，修正因子很小，在實(shí)際工程測(cè)量中可忽略不計(jì)。

圖1 頻譜儀測(cè)量噪聲功率比與修正因子的關(guān)系曲線

3 頻譜儀測(cè)量天線噪聲溫度的方法及修正

地面站天線噪聲溫度常用Y因子法進(jìn)行測(cè)量[8-9]，Y因子實(shí)質(zhì)上就是測(cè)量的噪聲功率比，由于頻譜儀本底噪聲的影響，引起噪聲功率測(cè)量誤差，從而引起天線噪聲溫度測(cè)量誤差。

圖2所示，為頻譜儀測(cè)量地面站天線噪聲溫度的原理框圖。

圖2 頻譜儀測(cè)量地面站天線噪聲溫度的原理框圖

利用Y因子法測(cè)量天線噪聲溫度的原理方法是：按照?qǐng)D2建立測(cè)試系統(tǒng)，首先將低噪聲放大器輸入端口接常溫負(fù)載，頻譜儀測(cè)量的噪聲功率為Nload[dBm]；然后去掉常溫負(fù)載，將低噪聲放大器LNA切換到待測(cè)地面站天線上，且驅(qū)動(dòng)待測(cè)地面站天線的方位或俯仰，使地面站天線指向晴空，且天線仰角為天線噪聲溫度規(guī)定測(cè)量角度上，保持頻譜儀的中心頻率、分辨帶寬、視頻帶寬和掃描時(shí)間等狀態(tài)參數(shù)不變，同理用頻譜儀測(cè)量的噪聲功率為Nant[dBm]。依據(jù)Y因子定義可得[9]：

(14)

Y=10(Nload-Nant)/10

(15)

式中：T0-地面站天線的環(huán)境噪聲溫度(K)；TLNA-LNA的噪聲溫度(K)；Tant-待測(cè)地面站天線的噪聲溫度(K)。

由式(14)可求得待測(cè)地面站天線的噪聲溫度為：

(16)

式(16)就是頻譜儀測(cè)量天線噪聲溫度原理公式。實(shí)際上該公式(16)確定的天線噪聲溫度沒有考慮頻譜儀內(nèi)部噪聲的影響。為了精確測(cè)量地面站天線噪聲溫度，應(yīng)對(duì)頻譜儀本底噪聲引起天線噪聲溫度的測(cè)量誤差進(jìn)行修正。由測(cè)量的天線噪聲功率比和負(fù)載噪聲功率比，由公式(12)或圖1確定的修正因子分別為CFant和CFload。則修正后的天線噪聲功率和負(fù)載噪聲功率分別為：

(17)

(18)

由式(17)和式(18)可得用分貝表示的修正Y因子為：

(19)

考慮頻譜儀本底噪聲的影響，修正的地面站天線噪聲溫度測(cè)量的公式為：

(20)

這里給出了用頻譜儀測(cè)量C波段13m車載天線噪聲溫度的工程實(shí)例。已知實(shí)驗(yàn)所使用儀器為Agilent 8563EC高性能頻譜分析儀，使用的C波段低噪聲放大器的噪聲溫度為40K，測(cè)量時(shí)地面站天線的環(huán)境溫度為300K，測(cè)試頻率為4GHz。測(cè)量時(shí)頻譜分析儀的主要狀態(tài)參數(shù)設(shè)置如下：

頻譜儀的參考電平： -40dBm

頻譜儀的中心頻率： 4GHz

頻譜儀射頻輸入衰減： 0dB

頻譜儀的分辨帶寬： 1MHz

頻譜儀的視頻帶寬： 1kHz

頻譜儀的掃頻寬度： 0Hz

頻譜儀的掃描時(shí)間： 20sec

按照上述參數(shù)設(shè)置頻譜儀，測(cè)量的頻譜儀本底噪聲功率為-88.01dBm；當(dāng)天線仰角為30°時(shí)，測(cè)量的地面站天線噪聲功率為-74.30dBm；低噪聲放大器接常溫負(fù)載時(shí)測(cè)量的噪聲功率為-67.75dBm。首先，忽略頻譜儀本底噪聲影響，由式(16)計(jì)算天線噪聲溫度為：

(21)

然后，考慮頻譜儀本底噪聲對(duì)地面戰(zhàn)天線噪聲溫度測(cè)量的影響，由測(cè)量噪聲功率和本底噪聲功率計(jì)算測(cè)量噪聲功率比，從而確定修正Y因子的大小，由式(20)計(jì)算修正天線噪聲溫度為：

(21)

由式(21)和式(22)計(jì)算結(jié)果可知：頻譜儀本底噪聲引起的測(cè)量誤差為2.53K。由此可見：要精確測(cè)量地面站天線噪聲溫度，應(yīng)考慮頻譜儀本底噪聲對(duì)地面站天線噪聲溫度的影響。

4 結(jié)束語

用頻譜儀測(cè)量噪聲功率信號(hào)時(shí)，由于頻譜儀本底噪聲的影響以及其內(nèi)部失真分量，從而使測(cè)量噪聲功率信號(hào)大于實(shí)際噪聲功率信號(hào)。本文簡(jiǎn)述了頻譜儀噪聲系數(shù)和靈敏度的基本概念。分析了頻譜儀本底噪聲對(duì)噪聲功率測(cè)量的影響，給出了測(cè)量噪聲功率比與修正因子的關(guān)系曲線。以地面站天線噪聲溫度測(cè)量為例，簡(jiǎn)述了Y因子法測(cè)量地面站天線噪聲溫度的基本原理，研究了頻譜儀本底噪聲對(duì)天線噪聲溫度測(cè)量的影響。該文對(duì)于擴(kuò)展頻譜儀測(cè)量應(yīng)用及噪聲功率的精確測(cè)量具有重要的參考價(jià)值。

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Effect of spectrum analyzer floor noise on antenna noise temperature measurement

WU Wei-wei, QIN Shun-you
(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Spectrum analyzers are widely used for RF signal measurements. Basic concepts of sensitivity and noise factor are described simply for spectrum analyzer. Effect of spectrum analyzer floor noise on noise signal measurement is analyzed, and correction calculation method of noise power measurement error is described using spectrum analyzer, and relationship curve of measured noise power ratio and correction factor are given. Example for the earth station antenna noise temperature measurement, basic principle of the earth station antenna noise temperature is described simply using Y-factor method. Correction calculation formula of measuring Y-factor is deduced, and correction of antenna noise temperature measurement is achieved.At last, example for C-band 13-metre vehicle antenna noise temperature measurement, effect of spectrum analyzer floor noise on the earth station antenna noise temperature measurement is explained.

Spectrum analyzer；Noise factor；Sensitivity；Floor noise；Correction factor；Y-factor；Antenna noise temperature measurement

2017-06-29

吳偉偉 (1982-)，女，河北藁城人，工程師.目前主要從事天線調(diào)試、檢修和測(cè)量工作.

1001-9383(2017)02-0028-06

TN820

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