一種噪聲源的校準方法

中電科思儀科技股份有限公司 李文軍 宋青娥 楊保國

噪聲系數是表征接收機及其組成部件在有熱噪聲存在的情況下接收小信號能力的主要參數。各種通信系統中接收機前端的低噪聲放大器、混頻器和中放等的噪聲系數往往決定了整個系統的性能，現代通信技術的發展對這些部件、組件和系統的噪聲系數提出了更高的要求，噪聲系數的精確測量對于這些產品的研發和制造都非常關鍵。噪聲源作為噪聲系數測量中的標準激勵源，其校準精度對噪聲系數的測量精度具有直接影響，噪聲源的校準技術是噪聲系數測試的重要技術之一。

1 噪聲源校準方法及結果分析

噪聲源超噪比的校準精度是影響噪聲系數測量不確定度的一個明顯因素，噪聲源的精確校準可以最大限度減小超噪比（ENR）不確定度，進而提高了噪聲系數測量精度。目前常用的噪聲源校準方法有兩種，一是直接校準法（也稱為一級校準法），該方法一般采用狄克輻射計（也可用高靈敏度的噪聲系數分析儀）作為接收機，與實驗室冷、熱噪聲標準比對實現固態噪聲源的校準。二是跟蹤校準法（也稱二級校準法），就是與經過一級校準的標準噪聲源進行對比測試，實現對噪聲源的溯源校準。噪聲源一級校準雖然可以獲得相對高的校準精度，但由于系統配置復雜、設備昂貴、不能掃頻測量效率低，并不適合噪聲源的批量校準。本文介紹了一種噪聲源的二級校準方法，在保證精度的前提下，可以進行快速掃頻校準，大大提高了效率，更適合噪聲源的工廠批量校準。

1.1 二級校準法

噪聲源超噪比定義為噪聲源超過標準噪聲溫度T0熱噪聲的倍數。

Th和Ta是噪聲源開、關狀態時噪聲源的等效輸出噪聲溫度，T0為標準噪聲溫度（290k）。

二級校準系統組成如圖1所示，主要包括標準噪聲源、噪聲源校準裝置、高靈敏度噪聲系數分析儀等。噪聲源校準裝置內置高隔離開關矩陣，具有非常好的匹配和隔離特性，能確保整個校準系統具有良好的測量重復性，減小校準系統的不確定度。二級校準就是利用噪聲系數分析儀主機的本機噪聲系數在一定時間內不變這一基本原理實現待測噪聲源的快速校準。

校準步驟：

按照圖1連接好校準系統，開機預熱30min。（ENR標為標準聲源的超噪比，單位為dB，在每一個標稱頻率點對應不同的值，由廠家給出。）

圖1 噪聲源二級校準系統框圖

（1）按照標準噪聲源標稱頻率點設置噪聲系數分析儀為列表掃描方式，顯示格式為Y因子，單位線性；

（2）記下各校準頻率點的Y因子，記為Y標；

Th標可按(1)式由標準噪聲源的超噪比換算得到。

（3）接上待校準噪聲源，重復上面兩步，得到所有待測頻率點的Y因子，記為Y測；

由(2)、(3)式可得：

1.2 校準結果不確定度分析

由(4)式可以看出，二級校準的不確定度主要由三個方面的因素：Y因子測量不確定度、標準噪聲源超噪比的不確定度和室溫變化的不確定度。對(4)式進行全微分得：

式中：

?Th標：標準噪聲源等效輸出溫度不確定度；

?Y測：Y因子測量不確定度；

?Ta：測試過程中室溫引入的測試不確定度。

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、噪聲系數分析儀Y因子的測試不確定度一般用dB表示，因此通過下式將線性值轉為dB值：

可得：

可以通過(7)、(8)式轉換整理，可得被測噪聲源的超噪比不確定度：

對各項誤差分析如下：

（1）Y標測量的不確定度Y標dB

Y標的不確定度主要由標準噪聲源與噪聲源校準裝置端口間的失配誤差?標-裝和噪聲系數分析儀的Y因子測量不確定度δY組成，計算如下：

（2）Y測測量的不確定度?Y測dB

Y測的不確定度主要由被測噪聲源與噪聲源校準裝置端口間的失配誤差?測-裝和噪聲系數分析儀的Y因子測試不確定度δY組成，計算如下：

（3）ENR標dB由廠家給出

（4）Ta：校準過程中室溫引入起的測試不確定度，采用分辨率為0.5K的溫度計測量，一般可控制在±0.5K之內。

將中電科思儀科技股份有限公司的16603噪聲源作為標準噪聲源用二級校準方法對被測噪聲源進行測試，根據所測得的數據以及標準噪聲源的超噪比數據，用公式(9)對校準不確定度進行計算，得到被測噪聲源的均方根測試不確定度，測試數據計算結果見如表1所示，不確定度曲線如圖2所示。

表1 二級校準的測試數據及測試不確定度計算結果

圖2 二級校準不確定度

通過上圖我們可以看出，二級校準的系統不確定度小于0.3dB，滿足業界噪聲源校準精度要求。

2 結論

本文介紹的噪聲源二級校準可以簡單方便的實現噪聲源的批量校準，可以滿足大多數用戶對噪聲源校準精度的要求，同時也可減少因噪聲源的外送一級校準而造成的校準周期長、科研生產停工和費用較高等問題。