GBT 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 11页

'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GB11299，5一89MethodsofmeasurementforradioequipmentusedinsatelliteearthstationsPartl:Measurementscommontosub-systemsandcombinationsofsub-systemsSectionFive-Noisetemperaturemeasurements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。2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，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吉和铁氧体器件中磁畴界面移动引起的起伏噪声用噪吉温度来量度由1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。3定义「述各种定义适用于本标准。3.，噪声功率谱密度噪声功率谱密度定义为N(f)一竺井些(W/Hz)uJ式.{，:N(f)一噪声功率谱密度，是频率的函数dP,(f)一在频率间隔df内所包含的总噪声功率0注:在实际应川时，可将噪声功率谱密度认为是1Hz带宽内所包含的噪声功率用N表示3.2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3，3噪声温度噪声温度是资用噪声功率密度与玻尔兹曼常数之比;中华人民共和国电子工业部1989一03一01批准1990一01一01实施 GB11299.5一89NI一k(长)式卜:了1-一噪声温度日是频率的函数:k—玻尔兹曼常数.k=1.3805X10-"J/K.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，噪声温度也小仅是山十v个物体在单一温度下的热辐射T，保留下标表示等效温度省略F标则表示实际温度东4平均噪声温度平均噪声温度T=定义为:一Pv了，=:‘(h)二，二，⋯，⋯⋯，，.，⋯⋯，.，⋯，⋯⋯(。k万式咋:B噪声带宽(见3.5条);尸N—噪声带宽(B)内的总噪声功率乙5噪声带宽假如G(J)代表个无噪声线性网络与频率有关的资用功率增益，而G,:是该网络在标称中心频率或参考频率厂「上的资用功率增益，则其噪声带宽(月)定义为:一个具有矩形辐频特性和资用功率增fnC。，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1)这R假定噪声功率密度不随频率变化。于是，滤波器输出端的噪声功率可用卜式表示:r一{。N"G(f)af一NBG,(W)式中:N-滤波器输入端的资用噪声功率密度由式(4)得出噪声带宽(B)为:“一(4}}G(f)df(Hz)···························⋯⋯(爪、这里应注意:噪声带宽(B)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1L1频率(f)又确定资用功率增益(GrJ.3.6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)所和i4"};If源产生的噪声所构成的噪声温度以Top表示对于个二端口器件或多个串联的二端日器件，反映到第一级输入端17的工作噪声温度由下j吮给出:T,=L+0P..........................................(6)式中:T.输入端I1的噪声温度;T—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T"表示“工作噪声温度”不仅应用于完整的通信系统，而且也常用于包括‘个噪声源、个被测的系统或分系统以及负载任意配ti的更普遍情况。3.了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;r.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，处厂环境温度下的热负载即是一个典M例f-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〔基衰减价为1组成(见图2)在这种情况下基准噪声温度(I",)由下式给定: GB11299.5一89L一1丁，.今+，I’aj{(K)·。······，.··，.⋯⋯‘·”·’二’二‘丁式中jL一一某准噪声源的噪声温度;,1衰减器所处的环境温度3-8二端II器件的等效输入p菊温度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‘个与实际器件具有相同的输入阻抗和增益、理想的无噪声二端I1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T.的一个二端口器件与一台温度为7’「的噪声源连接时，该器件输出的噪声功率密度(N;)为N。一(T。十戮)k(;(W/Hz)·····························⋯⋯(s式中:G—一几端CI器件的增益。如果了。是在给定的带宽(13)内的平均等效输人噪声温度，则二端日器件的输出噪声功率(P=,，为:八，一口几。十T,)kGB··············，···············⋯⋯(，式中;B噪声带宽;了’假定在噪声带宽(B)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1表示，输入参考面”均选在被测设备本身的输入端口。3-9平均噪声系数次端CI器件的平均噪声系数(T).是当其输入端的噪声温度为290K时，该器件传递给匹配负载的总噪声功率(P=)与在相同条件下在个理想的无噪声器件输出端可得到的噪声功率(尸、)之比〔P=，.。。。，。。。。。·，。。。⋯。·⋯〔}0kT,.GB式中:，]’)29OK对一r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P、仅包含与调制信号处在相卜」频带的输入端的噪声功率这种情况叮应用于卫星通信系统，并称为“窄带噪声系数’‘平均噪声系数(T)与平均等效输入噪声温度(了)之间的关系可由下列式r得到只=29OkGB十kY".GB一kGB(290+T,)·····················，·······。··⋯(11、恨据式(10)和(11)得到:一kG方(290+了’，)F=290kG1i1十_2T9,0T,.=290(F一1)..⋯⋯，⋯《13平均噪声系数通常简称为噪声系数，以F表示。4一般考虑噪声系数(1")和等效输入噪声温度(了)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:Y因子法;3dB衰减器法;自动噪声系数仪(ANFM)法 GB11299.5一89利用未IA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于于光赫均,;s此方法在具体情况卜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;d.频率范围;。.被测设备的类型;f.是否方便;9.测世速度表7概括给出各种测墩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卜变顺器).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tA方案表7各种测量方法的主要特点精度一方法。率。、一*Plihia:I最好典型一Y因一r法〔。)功率计法1%2V,,-8Y,10kH7--30(;Hz山)可变衰减器法}飞%2%，一8%一排3dB衰减器法(a)可变源法toY,，一25Y,IMHz-30GHz(b)固定源法52%Y,,5%一2。%lOkH,一30(i117,.}hr)自动噪声系数仪(八NFM)法5%5%一20%10MHz~一30GHz快连续波法11Y,仁5%一2。%{一1kHz--40GII厂万1-5测量方法5-1F因子法通常采用的Y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F因子的测量手段5-1.1功率计法如图3所示，此方法采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〔了)!简J几冷噪声发生器的噪声温度(3")。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童，与两输人功率相对;的两输出功率之比即是F因子，根据测得的Y因r和已知的两个噪声源的噪声温度便司计i}等效输入噪w温度(T)和噪声系数(F)o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10.(0.04dB);典,,j.误差是2%-8环(0.1-0.36dB)。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.1If;"=选择这种方法。A归tA-步骤如ha.参照图3，热噪声发生器与被测设备的输人端口相连，并记录功率计读数1", GB11299，5一89b断开热噪声发生器‘将冷噪声发生器与被测设备的输入端t_1连接，记录功率计读数尸由式(14)计劝Y因子:Y些一，..⋯⋯，.....⋯⋯，.⋯，⋯⋯(:1厂r等效输入噪声温度(T)可按卜式计勿(Ph+了)kGB一一﹃(叭一}一T=)kGB式中:G-被测设备的增益;B被测设备的噪声带宽;7"h—热噪声发生器的噪声温度;7"冷噪声发生器的噪声温度。由式(L5)得到;7’一Y7’了’=(16Y一根据T,.值可从F式计算噪声系数(F)F一1+1+Tr-卫共(17乙`JVIl—I)以分贝表示的噪声系数F(dB)为;F(dB)=10log,"F(185门.2可变衰减器法如图4所示，这种测量方法除r用一台精密可变衰减器和一台信号电平指示器来测址Y因子之外.其余与5.1.1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。测童步骤如!子:a.参照图4、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，使指小器的指示接近满刻度.记录指示器读数7"。和以分贝表示的衰减器读数A,(dB)o卜断开冷噪声发生器，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T，记录分贝表示的衰减器读数A,(dli),考虑到下列情况可计算Y因子:P,(dB)一Ah(dB)=P,.(dB)一A,(dB)。·················⋯⋯(19式中:P".(dR)和F",(dB)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}{的噪声功率山式(19)得到:Y(dB)=P,(dB)一P,(dB)=Ah(dB)一八(dB)·.....⋯⋯。.....····.·。，····⋯⋯(2日根据Y(dB)得到Y因子y二10-.................··⋯⋯(21知道fY因子，则可按5.l.1条计算等效输人噪声温度(T)和噪声系数(F)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c使11!IF精度降低5.23dB衰减器法 GB11299.5一89此方法与5.1.2条的方法类似，区别在于用只3dB的精密固定衰减器代柞可变衰减器，炸{川,qr匕的Y因子值2(即3dB)，因此，必须使用输出电平可连续调整的噪声源有两种方法叮以采用·最常用的方法是利用一只限温热离子真空二极管作为散弹噪声7vi:这种噪打源的输出电平是容易调整的。另种方法是利用一台电平固定的噪声发生器和台可变衰减器，后者用来调稚加到被测没挤"I"J噪声电平。但此方法不常用。选择何种方法取决干可供使用的仪器和被测设备的频率范围、5.2门可变源法如图5所示，__二极管噪声发生器对被测设备提供一个叮调的已知输入功率，噪声带宽应大J一被iljlJ设备的带宽信号电平指示器提供输出功率的一个参考!巨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I.MI-iz~一3GHz的Mill:,.范围，测量精度可达50o(0.2dB)。测童步骤如下:a.参照图5.被测设备的输出端口与信号电平指示器相连，三极普噪声发生器的发射电流，},"[J:犷(发生器仍与被测设备相连)。在这种状态下，由于残余的输入热噪声引起的被测设备输出端噪声功率是:尹;=(T,+7%)kGB······························⋯⋯i22式中:G和B一被测设备的增益与带宽;T}.—被测设备的等效输入噪声温度:了’、一发生器源阻抗的环境温度阮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1。C将被测设备与信号电平指示器断开.井将3dB衰减器接入测试系统d.增大噪声发生器的发射电流，直到在指示器L得到相同的读数I，在这种状态「，被测没备输出端的噪声功率是:P:二(T.+T.)kGB二2P,········，············，·····⋯⋯(23)式中:T}—二极管噪声发生器的总(散弹和热)噪声温度。e.记录噪声发生器上所指示的以分贝为单位的噪声系数F的读数如果发射电流不是按噪声系数(分贝)标定，则Tr值由式(22)和(23)计算:(T.吐7",)kGB=?·“。⋯‘.介·。····.，·。······。···一，⋯⋯(2(7",+7",)kGB一T=T=-2T二“‘·.⋯‘···。.·······，·········，·⋯(‘2污噪声系数(F)从下式求得厂=·····。.········。····。···。····，·⋯⋯(261、5.2.2固定源法如图6所示，使用一台固定电平噪声发生器，‘台已校准的可变衰减器一只3dB囚定哀减器和台信号电平指示器，发生器/衰减器组合与5.2.1条巾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fF测长i旅可小到2Y(0.1dB).典型误差是5%-20%(0.2-1dB)。此方法适用于10kHz-30GH，的频率范围OM址步骤如下a.参照图6,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r乍按 GB11299.5一89在这种状态下.被测设备输出端的噪声功率是一尸=(T}+T,)k(;B式中:了’一被测设备的等效输入噪声温度;了’—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1,。.将被测设备与信号电平指示器断开，并将3dB衰减器接入测试系统。d.接通噪声发生器，并调整可变衰减器直到在指示器卜得到相同的读数l,在这种状态下，被测设备输出端的噪声功率是:Pz="-7",.+TJ1一a)十T,)k(;B二2F",...........................〔28式中噪声发生器的噪声温度可变衰减器的透射系数T-一可变衰减器的环境温度;了—一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A，并利用式(29)换算成透时系数aa=IO-共笋..⋯‘............................⋯⋯(29)戳值从式(27)和(28)求得.(3(CT,,a+T,(1一a)+T,)kGB,7’.+TJkGB因此L。=(1。一T,)a一T,······························⋯⋯(315.3自动噪声系数仪(ANFM)法如图7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(ANFM)来自动测徽噪声系数。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,1}白动:}一算噪声系数(F)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5%(0.2dB)，典型误差是5%一2000(0.2^ldB)〕商品化仪器的标称可用Vi段是10MHz-30GHz,测壁步骤如下:参照图7,噪声发生器电流和其他控制旋钮按厂家说明书调定，置前面板开关使面板卜显示噪声系数.如果需要，F值可用下式计算:F=10`i"`1o"。。..⋯。.。。。.。，...·......··。·。··。。。·。二〔32)式中:F(dB)-一以分贝表示的噪声系数。而T,则按式(33)计算:7’一290(F一l·········，·················，···，··一(33)5.4连续波法连续波法属窄带测量法，如图s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(f)土，信号发生器输入到被测设备的功率已知为P，输出功率的两种状态日hpl1r;a.切断连续波信号，在这种情况下的输出功率(P,)完全是噪声b.接通连续波信号，在这种情况下的输出功率(P2)是噪声与所加连续波信号的混含〕 GBll299.5一89根据信号发产L器输出功率(尸)和测出的被测设备输出功率便叮计算噪声系数F测墩步骤如厂:a.参照图8，将连续波发生器调谐于频率儿、.其输出电平段一F事(发生器仍与被测没备连接).，记卜系统的输出功率切1)在这种状态下.被测设备输出端的噪声功率(尸上)是:P:一(T，+T)差‘了B··············4·········4·一(、}、式中:讯—被测设备的等效输入噪声温度;了、—连续波发生器源阻抗的环境温度b.连续波信号发生器的频率仍为儿，输出电平至少比p.大2odB，但不得使被测设备饱和，汇录信号发生器的资用功率电平(尸)和被测设备的输出功率pP:=PC+(T.，+T户kG召················，···········一(污三1T。工纽由下列式子计算:1，，(了，+了’)kG召+1少GP(T。卜了)k仃方脚:一十分一了裸一万。。·。。·。，··⋯。。·。，·。.，·。·····，···，二(气」，一卜if)刀D所以P-7’润k召噪声系数(F)由下式求得P，:一1+获了’kl了这意味着必须知道被测设备的噪声带宽，否则，应采用附录A所给的方法测量6结果表示法测量结果应按下述表示:等效输入噪声温度(T)以绝对温度(K)为单位表示1嗓声系数〔F)以分贝(dB)为单位表示。7要规定的细节当要求进行木项测量时，设备技术条件中应包括下列内容:所用的测量方法;h.所需的测量设备配置精度;测量的频率范围;d.加到被测设备的最大输入电平礼进行测量时所选的参考面。 GB11299.5-89.:r13一·一引。热噪石且图1平坦噪声带宽的示意图可变衰减器(环境温度为r图2衰减器调整基准源的噪声温度图3功率计法测量Y因子的设备配置图4用衰减器法测量Y因子的设备配置3dB尚定衰减器图5可变电平噪声源的3dB衰减器法测量噪声系数的设备配置 GB11299.5一89噪声发生器可变衰减器3dotai定衰减器图6固定电平噪声源的3dB衰减器法测量噪声系数的设备配箫开关型噪占自动噪吉被测设备发生器系数仪图7噪声系数的自动测量配置功率训图8连续波法测量噪声系数的设备配置 CB11299.5一89附录A噪声带宽测量(补充件)被测设备的噪声带宽(召)可通过数值积分得到。因A1示出相应的测量设备配各当采用图A1(a)的方法时，需要工作于线性方式的频谱分析仪测址步骤如下:a.XY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从线「b.被测设备的输出端与频谱分析仪连通并绘出线IVL振幅/频率特性.此特性曲线应从中心频率的两侧延伸肖到与基线相交。.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(Af)d.对于在基线上的锤分度(频率刻度)，记录幅度的刻度(A)及其平方(群)。e，为r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，再将此值乘以侮分度的频率增+a(Al).便得到噪声带宽(B)fA."_召=一井△/，·。⋯。·⋯。⋯，.⋯⋯。二，...⋯⋯，二(八1)一A熟厂“图A1(b)示出另一种叮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30dB下降点之问取得大约10。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。娜L意，当在被测设各中出现频率变换时不可用第一种方法。(七)图A1噪声带宽的测量附加说明:本标准山电子工业部第五卜四研究所负责起草'