L波段有源冷噪聲源研究

范昌模 程春悅

（北京無線電計量測試研究所，北京100039）

1 引言

有源冷噪聲源（Active Cold Noise Source，ACNS）無需制冷就可以產生穩定的低溫噪聲，具有廣泛應用前景，1981年澳大利亞Frater 等人設計實物電路驗證其提出的冷場效應管理論［1］并預言了這類電路的應用。冷場效應管理論是指通過電感負反饋抵消掉晶體管輸入阻抗容性分量，讓其輸入阻抗等效成一個很小的電阻，因而柵極向外界輸出一個極小的等效噪聲溫度。

輻射計定標需要兩個參考源，即高溫源和冷源，其中冷源獲取相對困難。ACNS 的出現能降低傳統微波噪聲源獲取低溫噪聲的難度，有效節約定標成本，將ACNS 作為微波輻射計的低溫參考源契合實際。

目前，國外研制的有源冷噪聲器件工作范圍覆蓋L-W 頻段［1-4］，這些器件的成功研制驗證了冷場效應管理論的準確性。國內外有源冷噪聲器件的成功設計表明冷場效應管理論已趨于成熟，接下來的發展方向是推動ACNS 向應用方向前進，克服ACNS 在工程技術應用上的困難，推進部分關鍵指標的實現。

2 有源冷噪聲源原理

在傳統低頻電路中，一個放大器的輸入端的等效噪聲輸出亮溫可以表示為［5］

從式（1）可以看出，輸入端做到噪聲匹配可以使場效應晶體管得到一個最小反向噪聲溫度。

設計噪聲匹配本質是讓噪聲源阻抗實際值（可以通過負反饋改變）等于最佳源阻抗，在ADS 仿真中的表達就是最佳反射系數。這是用于設計ACNS 最小反向輸出噪聲溫度的第一個指標。有源冷噪聲源的二端口網絡微波噪聲模型框圖如圖1 所示。

圖1 二端口網絡微波噪聲模型框圖Fig.1 Block diagram of two-port network microwave noise model

圖1 表明ACNS 柵極經過匹配網絡將向接收機饋入一個很小的噪聲信號，等效成噪聲溫度為［6］

式中:T2——負載物理溫度；T1——和輸入端相連的系統的物理溫度；G12——正向（柵極到漏極）功率增益；G21——反向（漏極到柵極）功率增益。

Ta和Tb由式（4） ～式（5）表示

式中:Rn——晶體管的等效噪聲電阻；Gopt——最佳噪聲電導。

非最佳噪聲匹配狀態下，Γ′opt與Γopt的關系為

在此條件下，化簡Ta和Tb并代入式（3），可以得到新的TS，1表達式。對求偏導并整理得到

輸入功率匹配的條件下有

根據式（10）調節參考平面3 和4 之間的S 參數矩陣可以得到一個最小ΓL值，對應可以獲得一個最小的TS，1。這是設計ACNS 最小輸出噪聲溫度的第三個指標的公式表達，可以應用于ADS 仿真環節。

綜上所述，有源冷噪聲源的反向輸出噪聲溫度的貢獻有三項:接收機系統和二端口網絡系統輸入噪聲信號饋入再反射的噪聲信號；晶體管自身的反向輸出噪聲信號；二端口網絡輸出端饋入和負載饋入的噪聲信號。設計過程對每一項噪聲信號進行最小化處理，從而完成有源冷噪聲源的設計目標。

3 有源冷噪聲源仿真

有源冷噪聲源的目的在于獲取如圖1 二端口網絡微波噪聲模型中一個最小的TS，1。根據以上分析，整個設計流程如下。

1）選取擁有良好反向隔離度和低噪聲阻抗的場效應管；

2）根據廠商提供的晶體管測試數據確定偏置電路；

3）保證系統處于絕對穩定條件下調諧源極反饋電感的值尋求一個最小的負載反射系數；

4）設計輸出阻抗匹配網絡；

5）對輸入阻抗匹配網絡進行調諧和優化，同時滿足輸入功率匹配和噪聲匹配兩個條件；

6）添加直流隔離電容，并綜合調諧使3 個設計指標達到最優效果。

以上步驟在設計中可以反復迭代，力求達到最佳效果。

根據調研，高電子遷移率場效晶體管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）適合作為有源冷噪聲源設計的核心晶體管，此次選取了ATF54143型和ATF35143 型pHEMT 管作為設計冷噪聲源的核心器件。這兩款芯片符合設計要求，兩者在性能上有著共同點和差異點。

整個設計過程利用ADS（Advance Design System）仿真實現，其中以ATF54143 為核心設計的ACNS 在Vds =2.12V，Id =144mA，Vgs =0.693V 偏置下，于1.414GHz頻率點有最小噪聲系數NF =0.437dB；最佳輸入噪聲阻抗Zopt =49.800-j ×1.446Ω；最小負載反射系數→0，系統穩定因子滿足絕對穩定:stabfact1=1.146＞1，0＜stabmeas1=0.656＜1。在（1.4 ～1.43）GHz 范圍內，輸入反射系數S11＜-29dB，同時此頻帶范圍內系統處于絕對穩定狀態。

以ATF54143 為核心設計的ACNS 三個優化指標及噪聲系數如圖2 所示。

圖2 ATF54143 仿真數據示意圖Fig.2 Simulation data of ATF54143

以ATF35143 為核心設計的ACNS 在Vds =2.03V，Id=14.7mA，Vgs=-0.58V 偏置下，于1.414GHz頻率點有最小噪聲系數NF =0.564dB；最佳輸入噪聲阻抗Zopt=49.271+ j ×2.827Ω；最小負載反射系數0，系統穩定因子滿足絕對穩定:stabfact1=1.085＞1，0＜stabmeas1=0.424＜1。在（1.4～1.43）GHz范圍內，輸入反射系數S11＜-23dB，同時此頻帶范圍內系統處于絕對穩定狀態。

以ATF35143 為核心設計的ACNS 三個優化指標及噪聲系數如圖3 所示。

后續還需要對實物進行封裝和測試，有源冷噪聲源輸出亮溫的測量主要利用搭建的周期定標輻射計完成。此處選取的兩款應用于ACNS 設計的芯片的主要不同在于柵極偏置電壓（第二款芯片柵極電壓為負），目前已經通過PCB 制作實現了實物，后期將利用本文第4 節搭建的輻射計系統測量輸出亮溫等參數來分析兩款芯片用于ACNS 設計的差異。

圖3 ATF35143 仿真數據示意圖Fig.3 Simulation data of ATF35143

4 周期定標輻射計

定標是微波輻射計測量的前提，相應地，定標精度的高低直接決定微波輻射計對環境參數的遙感的質量［7］。輻射計兩點定標過程利用如圖4 所示的原理搭建系統，通過搭建的系統對設計的有源冷噪聲源的低輸出噪聲溫度特性進行驗證。

根據圖4 輻射計定標原理計算出待測目標亮溫為

對接收機定標可以檢驗接收機的線性度，并對接收機的靈敏度、穩定性等性能進行測試，建立起接收機輸出電壓與接收機輸入噪聲溫度的線性關系。

圖4 輻射計定標原理圖Fig.4 Radiometer calibration schematic

在接收機定標的基礎上，利用開關在冷源、熱源、ACNS 之間切換，通過周期循環測量，最終得出待測ACNS 的輸出噪聲溫度。本文設計的輻射計系統框圖如圖5 所示［8］。

傳統定標冷源主要利用液氮或液氦制冷來達到輸出低輻射亮溫的目的，這類技術具有原理簡單、技術穩定等優點，但是同時具有器件笨重、維護不便、使用成本高等明顯缺點。相比之下有源冷噪聲器件在定標之后作為冷參考可以滿足絕大部分輻射計定標需求，這將有效降低輻射計使用成本。

圖5 輻射計系統框圖Fig.5 Block diagram of radiometer system

5 結束語

有源冷噪聲源是基于場效應晶體管（FET）等效電路模型和雙端口微波噪聲模型而設計出的微波冷噪聲器件，其本質是在常溫條件下輸出低噪聲溫度，表明其在微波輻射計定標領域有巨大應用價值。文中基于兩種pHEMT 型芯片設計的ACNS 仿真得到的噪聲參數、S 參數、輸入阻抗、負載反射系數、穩定因子等指標符合設計預期，后期還需利用輻射計確定兩款器件輸出亮溫的值，測定兩款器件輸出亮溫的短、長期穩定性。