一種噪聲源的校準(zhǔn)方法

中電科思儀科技股份有限公司 李文軍 宋青娥 楊保國(guó)

噪聲系數(shù)是表征接收機(jī)及其組成部件在有熱噪聲存在的情況下接收小信號(hào)能力的主要參數(shù)。各種通信系統(tǒng)中接收機(jī)前端的低噪聲放大器、混頻器和中放等的噪聲系數(shù)往往決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能，現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展對(duì)這些部件、組件和系統(tǒng)的噪聲系數(shù)提出了更高的要求，噪聲系數(shù)的精確測(cè)量對(duì)于這些產(chǎn)品的研發(fā)和制造都非常關(guān)鍵。噪聲源作為噪聲系數(shù)測(cè)量中的標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)源，其校準(zhǔn)精度對(duì)噪聲系數(shù)的測(cè)量精度具有直接影響，噪聲源的校準(zhǔn)技術(shù)是噪聲系數(shù)測(cè)試的重要技術(shù)之一。

1 噪聲源校準(zhǔn)方法及結(jié)果分析

噪聲源超噪比的校準(zhǔn)精度是影響噪聲系數(shù)測(cè)量不確定度的一個(gè)明顯因素，噪聲源的精確校準(zhǔn)可以最大限度減小超噪比（ENR）不確定度，進(jìn)而提高了噪聲系數(shù)測(cè)量精度。目前常用的噪聲源校準(zhǔn)方法有兩種，一是直接校準(zhǔn)法（也稱為一級(jí)校準(zhǔn)法），該方法一般采用狄克輻射計(jì)（也可用高靈敏度的噪聲系數(shù)分析儀）作為接收機(jī)，與實(shí)驗(yàn)室冷、熱噪聲標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)實(shí)現(xiàn)固態(tài)噪聲源的校準(zhǔn)。二是跟蹤校準(zhǔn)法（也稱二級(jí)校準(zhǔn)法），就是與經(jīng)過一級(jí)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)噪聲源進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲源的溯源校準(zhǔn)。噪聲源一級(jí)校準(zhǔn)雖然可以獲得相對(duì)高的校準(zhǔn)精度，但由于系統(tǒng)配置復(fù)雜、設(shè)備昂貴、不能掃頻測(cè)量效率低，并不適合噪聲源的批量校準(zhǔn)。本文介紹了一種噪聲源的二級(jí)校準(zhǔn)方法，在保證精度的前提下，可以進(jìn)行快速掃頻校準(zhǔn)，大大提高了效率，更適合噪聲源的工廠批量校準(zhǔn)。

1.1 二級(jí)校準(zhǔn)法

噪聲源超噪比定義為噪聲源超過標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度T0熱噪聲的倍數(shù)。

Th和Ta是噪聲源開、關(guān)狀態(tài)時(shí)噪聲源的等效輸出噪聲溫度，T0為標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度（290k）。

二級(jí)校準(zhǔn)系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括標(biāo)準(zhǔn)噪聲源、噪聲源校準(zhǔn)裝置、高靈敏度噪聲系數(shù)分析儀等。噪聲源校準(zhǔn)裝置內(nèi)置高隔離開關(guān)矩陣，具有非常好的匹配和隔離特性，能確保整個(gè)校準(zhǔn)系統(tǒng)具有良好的測(cè)量重復(fù)性，減小校準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定度。二級(jí)校準(zhǔn)就是利用噪聲系數(shù)分析儀主機(jī)的本機(jī)噪聲系數(shù)在一定時(shí)間內(nèi)不變這一基本原理實(shí)現(xiàn)待測(cè)噪聲源的快速校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)步驟：

按照?qǐng)D1連接好校準(zhǔn)系統(tǒng)，開機(jī)預(yù)熱30min。（ENR標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)聲源的超噪比，單位為dB，在每一個(gè)標(biāo)稱頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的值，由廠家給出。）

圖1 噪聲源二級(jí)校準(zhǔn)系統(tǒng)框圖

（1）按照標(biāo)準(zhǔn)噪聲源標(biāo)稱頻率點(diǎn)設(shè)置噪聲系數(shù)分析儀為列表掃描方式，顯示格式為Y因子，單位線性；

（2）記下各校準(zhǔn)頻率點(diǎn)的Y因子，記為Y標(biāo)；

Th標(biāo)可按(1)式由標(biāo)準(zhǔn)噪聲源的超噪比換算得到。

（3）接上待校準(zhǔn)噪聲源，重復(fù)上面兩步，得到所有待測(cè)頻率點(diǎn)的Y因子，記為Y測(cè)；

由(2)、(3)式可得：

1.2 校準(zhǔn)結(jié)果不確定度分析

由(4)式可以看出，二級(jí)校準(zhǔn)的不確定度主要由三個(gè)方面的因素：Y因子測(cè)量不確定度、標(biāo)準(zhǔn)噪聲源超噪比的不確定度和室溫變化的不確定度。對(duì)(4)式進(jìn)行全微分得：

式中：

?Th標(biāo)：標(biāo)準(zhǔn)噪聲源等效輸出溫度不確定度；

?Y測(cè)：Y因子測(cè)量不確定度；

?Ta：測(cè)試過程中室溫引入的測(cè)試不確定度。

公式(5)中Y因子及其不確定度均為線性值。由于噪聲源的超噪比不確定度、噪聲系數(shù)分析儀Y因子的測(cè)試不確定度一般用dB表示，因此通過下式將線性值轉(zhuǎn)為dB值：

可得：

可以通過(7)、(8)式轉(zhuǎn)換整理，可得被測(cè)噪聲源的超噪比不確定度：

對(duì)各項(xiàng)誤差分析如下：

（1）Y標(biāo)測(cè)量的不確定度Y標(biāo)dB

Y標(biāo)的不確定度主要由標(biāo)準(zhǔn)噪聲源與噪聲源校準(zhǔn)裝置端口間的失配誤差?標(biāo)-裝和噪聲系數(shù)分析儀的Y因子測(cè)量不確定度δY組成，計(jì)算如下：

（2）Y測(cè)測(cè)量的不確定度?Y測(cè)dB

Y測(cè)的不確定度主要由被測(cè)噪聲源與噪聲源校準(zhǔn)裝置端口間的失配誤差?測(cè)-裝和噪聲系數(shù)分析儀的Y因子測(cè)試不確定度δY組成，計(jì)算如下：

（3）ENR標(biāo)dB由廠家給出

（4）Ta：校準(zhǔn)過程中室溫引入起的測(cè)試不確定度，采用分辨率為0.5K的溫度計(jì)測(cè)量，一般可控制在±0.5K之內(nèi)。

將中電科思儀科技股份有限公司的16603噪聲源作為標(biāo)準(zhǔn)噪聲源用二級(jí)校準(zhǔn)方法對(duì)被測(cè)噪聲源進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)所測(cè)得的數(shù)據(jù)以及標(biāo)準(zhǔn)噪聲源的超噪比數(shù)據(jù)，用公式(9)對(duì)校準(zhǔn)不確定度進(jìn)行計(jì)算，得到被測(cè)噪聲源的均方根測(cè)試不確定度，測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果見如表1所示，不確定度曲線如圖2所示。

表1 二級(jí)校準(zhǔn)的測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試不確定度計(jì)算結(jié)果

圖2 二級(jí)校準(zhǔn)不確定度

通過上圖我們可以看出，二級(jí)校準(zhǔn)的系統(tǒng)不確定度小于0.3dB，滿足業(yè)界噪聲源校準(zhǔn)精度要求。

2 結(jié)論

本文介紹的噪聲源二級(jí)校準(zhǔn)可以簡(jiǎn)單方便的實(shí)現(xiàn)噪聲源的批量校準(zhǔn)，可以滿足大多數(shù)用戶對(duì)噪聲源校準(zhǔn)精度的要求，同時(shí)也可減少因噪聲源的外送一級(jí)校準(zhǔn)而造成的校準(zhǔn)周期長(zhǎng)、科研生產(chǎn)停工和費(fèi)用較高等問題。