一种减小噪声系数测量不确定度的方法

    0 引 言

    在无线电设备中,除了信号外,还不可避免地存在噪声,任何电子设备都会产生噪声。一般来说,噪声是有害的,因为它干扰甚至淹没有用的信号,特别是在信号十分微弱的情况下,噪声的有害作用十分明显。随着微波通信、雷达、导航等技术的迅速发展,对微波低噪声器件的要求越来越迫切,对噪声系数测量精度要求越来越高,为了衡量和减小系统噪声的影响,以适应技术的发展,越来越迫切的要求科研人员对噪声特性进行广泛深入的研究。

    噪声系数测量的一个关键指标就是噪声系数的测量不确定度。本文结合噪声系数的测量原理,详细介绍了一种减小噪声系数测量不确定的方法,即通过选择适当的低噪声前置放大器,可使测试系统的噪声系数对测量不确定度的影响降到最低的程度,并结合实例对比分析了前置放大器的选择在改善噪声系数测量不确定度方面所起的作用。

    1 噪声系数测量原理及不确定度分析

    噪声系数分析仪采用Y因子的测量方法,自动快速测量线性网络或系统的噪声系数和增益,其测量原理基于噪声系数的级联的理论。用噪声系数分析仪测量被测件的噪声系数,相当于被测件与噪声仪级联:被测件作为第1级,噪声系数分析仪作为第2级。

    设被测件的噪声系数为F1,增益为G1,噪声仪的噪声系数为F2,被测件与测试系统级联的噪声系数为F12。测试框图如图1所示。

    首先是对噪声仪校准:将噪声源输出直接接至噪声仪的输入端口,测出噪声系数分析仪本机噪声系数,记为F2,并存储噪声源开、关2种状态下的噪声功率,记为:N2hot、N2cold;

    然后接上被测件,如图1所示,测出被测件和噪声系数分析仪级联噪声系数F12,并存储此时噪声源开、关2种状态下的噪声功率N12hot、N12cold。被测件的增益可按下面的公式计算出。

    将F2、F12和G1代入噪声系数的级联公式F1=

    即可求出被测件的噪声系数F1。

    需要特别指出的是噪声系数的级联公式是在被测件的带宽大于噪声系数分析仪的中频带宽的条件下成立的[2]。

    由噪声系数的级联公式可以推导出噪声系数测量不确定的均方根表达式为:

   2 测试系统的噪声系数对测量不确定度的影响

    由噪声系数测量不确定的均方根表达式可以看出,噪声系数分析仪本机的噪声系数直接影响被测件的噪声系数的测量不确定度,并且随着测试系统噪声系数的增加,噪声系数的测量不确定度也相应地增加。

    图2反应的是在一定测试条件下,测试仪本机的噪声系数对测量总的不确定度的影响示意图。由曲线图可以看出,测试系统的噪声系数降低到一定程度时,它对测量不确的影响可以减到最小。通过外加低噪声前置放大器,可以减小测试系统的噪声系数,从而使测试系统的噪声系数对测量不确定度的影响减小到一个特定的程度[4]。