Ku波段接收机噪声温度测试及分析

王 凯，陈卯蒸，李笑飞，李 健，项斌斌，闫 浩，王 洋

(1. 中国科学院新疆天文台， 新疆 乌鲁木齐 830011；2. 中国科学院射电天文重点实验室， 江苏 南京 210008)

引 言

射电天文是用射电望远镜观测由宇宙天体辐射来的无线电波的一门学科[1]，而微波接收机是射电望远镜中专门用于接收射电信号的设备[2]。目前关于微波接收机的定义并不统一，有人认为接收机包括馈源，也有人认为馈源是天线系统的一部分，本文取前者。以中国科学院新疆天文台南山26 m射电望远镜为例，原始射电信号经天线主反射面一次反射、副反射面二次反射至接收机馈源处[3-4]，再经接收机的正交模耦合器[5]、低噪声放大器等器件后传输至数据终端，如图1所示。

图1 微波接收机信号传输链路

微波接收机最主要的技术指标是灵敏度，灵敏度越高，可探测微弱信号的能力就越强。当原始射电信号经接收机传输时，接收机自身的噪声会添加到信号中，导致弱的信号无法被探测到。一般将接收机自身产生的热噪声(强度响应)称为接收机等效的噪声温度。噪声温度越低，接收机的灵敏度就越高[6]。

提升接收机的灵敏度并降低其噪声温度是每部接收机的设计目标。对整个接收机低噪声放大器及前级的微波器件制冷是降低接收机噪声温度的最佳途径。以新疆天文台南山站K波段接收机为例，该波段接收机制冷后的噪声温度为16 K，而常温状态下的噪声温度却接近400 K。由于观测的科学目标不同，也有相当部分射电望远镜使用常温接收机，如南山站采用主要用于全息法测量的Ku波段接收机。与制冷接收机相比，常温接收机不需为制冷部件专门设计杜瓦，接收机整体结构相对简单。但无论是常温接收机还是制冷接收机，噪声温度都是其性能好坏的直接指标，故对接收机噪声温度的测试就显得尤为重要[7]。

1 噪声温度的测试方法

1.1 冷热负载法

对于接收机噪声温度的测试，最常用的也是最经典的方法是冷热负载法，也就是Y因子法。该方法就是将2个不同物理温度、宽带的辐射源(比如冷、热黑体)分别放置在接收机第一级放大器或者混频器的前级，使其辐射注入接收机的馈源或者波导，产生的带通信号如图2所示。

在冷、热负载分别覆盖接收机馈源口面时，记录冷负载温度Tcold、常温黑体负载(热负载)温度Thot、冷负载强度输出Vcold和常温黑体负载(热负载)强度输出Vhot，根据式(1)、式(2)便可计算出接收机的噪声温度TRx(接收机自身强度响应的等效温度值)以及Y因子(当热、冷负载被放置到馈源前级时接收机的功率响应比率)：

(1)

(2)

式中：VRx为接收机自身的强度输出。

图2 冷、热负载下接收机系统的带通响应

在冷热负载法测试中，热负载一般使用常温状态下的黑体，冷负载则将黑体放置于盛满液氮的泡沫器皿内，以将其温度降至液氮温度(77 K ～80 K)。由于冷负载不方便在观测过程中使用，因此一般在观测前将天线仰角调整到90°，由接收机工程师专门进行噪声温度测试。另外，由于不同波段接收机微波器件尺寸大小不一，长厘米波段馈源尺寸过大(如南山站L波段接收机馈源直径为1.05 m)，即便在观测前使用冷热负载法也非常困难，因为很难提供一个足够大的冷负载完全覆盖其馈源口面。

1.2 斩波轮法

BTL(Bell Telephone Laboratory)提出使用斩波轮法对毫米波接收机进行强度校准。该方法是在馈源顶部交替引入和移除一个常温黑体，使接收机交替测试常温黑体和天空的辐射，以此测试接收机的噪声温度[8]。其原理与冷热负载法相同，只是用来自冷空的辐射代替了冷负载。测试时，在馈源顶部交替引入和移除常温黑体，分别记录常温黑体负载温度、天空亮温度Tsky、常温黑体负载强度输出和冷空辐射的强度输出Vsky，便可计算出接收机的噪声温度和斩波轮方法中的Y因子(接收机测试常温负载和冷空辐射时的功率响应比率)：

(3)

(4)

虽然斩波轮法最早是在毫米波测试中被提出来的(因为它可以自动补偿大气吸收的变化，特别适合大气条件快速变化的情况)，但同样适用于厘米波测试。采用该方法，在观测中仅需切换常温负载便可测试噪声温度，不需专门准备冷负载，也不需将天线仰角调整到90°，但在测试中需知该频段在不同仰角下的天空亮温度，因为不同仰角的天空亮温度不同。

2 Ku波段接收机噪声温度测试及分析

斩波轮法可以在天线观测过程中快速测试接收机的噪声温度，因而比传统冷热负载法简单易行。为此在实验室搭建Ku波段常温接收机测试平台，在其上进行2种噪声温度测试方法的对比及分析。Ku波段常温接收机由馈源(12 GHz ～ 18 GHz)、正交模耦合器、渐变波导和低噪声放大器(噪声系数0.8，增益55 dB)组成。图3为Ku波段常温接收机实物图。

图3 Ku波段常温接收机实物图

测试选用大小2种规格的黑体负载，如图4所示。按照测试黑体劈尖长度至少大于测试波段1/4波长的要求，这2种黑体均满足Ku波段接收机的噪声温度测试需求。

图4 测试黑体负载

强度输出采用总功率的测试方法进行功率获取，功率计选用安捷伦N1914A，功率探头为E9300A(10 MHz～18 GHz)，冷热黑体负载温度值取自温度计Testo 735，测试系统组成如图5所示。

图5 Ku波段接收机测试系统

2.1 白天室外噪声温度测试(2018年5月17日)

2018年5月17日白天，在台本部室外条件下，采用冷热负载法及斩波轮法对Ku波段接收机进行噪声温度测试。常温负载选用大小2种规格的黑体，冷负载采用放置于盛满液氮的泡沫器皿中的小黑体(因大黑体需要更大的器皿和更多的液氮，不易操作)。测试中使Ku波段常温接收机的波束正对向冷空，仰角为90°(该仰角方便进行冷热负载法测试)，在该仰角下Ku波段的天空亮温度取为4 K[9]。

使用冷热负载法和斩波轮法分别进行5组噪声温度测试，测试结果如图6所示。其中TRx，1为冷热负载法下使用常温小黑体得到的噪声温度值，TRx,2为冷热负载法下使用常温大黑体得到的噪声温度值，TRx,3为斩波轮法下使用常温小黑体得到的噪声温度值，TRx,4为斩波轮法下使用常温大黑体得到的噪声温度值。

图6 噪声温度测试结果(2018年5月17日)

从5组测试结果来看，TRx,1测试均值为80 K，TRx,2测试均值为76.6 K，TRx,3测试均值为90.5 K，TRx,4测试均值为88.2 K。在冷热负载法测试中，常温黑体受环境影响较大(朝阳处温度高，背阳处温度低)，常温大、小黑体最大测试温差达9.2 K。由于无法确定常温黑体的实际温度，故暂时无法确定该接收机的真实噪声温度，最终选取常温大、小黑体劈尖位置温度计算出噪声温度相差约3.4 K。在斩波轮法测试中，除常温黑体温度不确定外，测试时为薄云天气，将4 K的天空亮温度(适用于晴朗夜空条件下)直接用于噪声温度计算，也会增加测试的不确定性，相关结论有待进一步测试。

2.2 白天室内噪声温度测试(2018年5月18日)

由于暂时不具备晴朗夜空条件，2018年5月18日，在台本部白天室内条件下，对Ku波段接收机单独进行了冷热负载法测试。在此次测试中，常温负载选用大小2种规格的黑体，冷负载则采用放置于盛满水的泡沫器皿中的小黑体负载，缩小冷热负载之间的温度差(温差不超过10 K)，以此检测其对噪声温度测试的影响，测试数据及结果见表1。

表1 常温和低温(水中)冷热负载法测试数据及结果

注：表中Vhot,1为常温小黑体负载强度输出；Vhot,2为常温大黑体负载强度输出；Thot,1为常温小黑体负载温度；Thot,2为常温大黑体负载温度。

从8个测试结果来看，只有1个测试结果为正值(87.90 K)，其原因是冷热负载之间温度差值及对应的功率输出差值太小。用标准差计算，用冷热负载法测试噪声温度的不确定度达到42.8%。因此，为降低噪声温度测试的不确定度，冷热负载的温度差必须足够大。

2.3 夜间室外噪声温度测试(2018年5月20日)

2018年5月20日，在南山站夜间室外条件下，对Ku波段接收机使用冷热负载法和斩波轮法分别进行了3组测试，噪声温度测试结果如图7所示。

图7 噪声温度测试结果(2018年5月20日)

从3组测试结果来看，TRx,1测试均值为101.4 K，TRx,2测试均值为63.6 K，TRx,3测试均值为90.7 K，TRx,4测试均值为75.9 K。在冷热负载法测试中，虽然夜间环境温度稳定，但大黑体比小黑体温度高(最大温差为7.5 K)。其原因是大黑体散热慢，小黑体更单薄因而其温度更容易接近环境温度，故认为TRx,1更接近该接收机真实的噪声温度，用标准差计算，用小黑体测试噪声温度的不确定度为0.26%。由于常温大黑体自身温度不均匀(劈尖比底部低约4 K)，TRx,2最终选取常温大黑体劈尖位置温度进行计算，用标准差计算，用大黑体测试噪声温度的不确定度为0.64%。在斩波轮法测试中，除常温大黑体同样存在温度不均匀以外，TRx,3和TRx,4的测试结果仅作为参考(因测试时天空中略有薄云)，之后在晴朗夜间进行测试后再做讨论。

2.4 白天室内噪声温度测试(2018年5月22日)

鉴于常温大黑体在室外环境条件下温度不均匀，故2018年5月22日在南山白天室内条件下，将测试用大小黑体及准备盛放液氮的小黑体长时间放置在室内，测试3种黑体的温度及功率输出，测试数据见表2。

表2 常温黑体测试数据(2018年5月22日)

表2中的测试结果表明，3种黑体被长时间放置于实验室后，其最大温差为0.9 K，功率差为24 nW，二者的变化范围均远小于之前在室外环境中得到的测试结果。

鉴于此，在实验室内采用上述黑体进行2组冷热负载法测试。选用的常温小黑体的噪声温度测试结果分别为106.3 K和104.5 K，选用的常温大黑体的噪声温度测试结果分别为105.8 K和104.1 K，4个噪声温度值均比较接近，故认为均值105.2 K为Ku波段接收机真实的噪声温度。

2.5 夜间室外噪声温度测试(2018年5月22日)

2018年5月22日晚在南山站晴朗夜空室外条件下，对Ku波段接收机使用冷热负载法及斩波轮法分别进行了3组测试。测试的常温负载主要选用小黑体，大黑体由于自身温度不均匀仅做参考，冷负载则采用放置于盛满液氮的泡沫器皿中的小黑体负载，噪声温度测试结果如图8所示。

图8 噪声温度测试结果(2018年5月22日室外)

从3组测试结果来看，TRx,1测试均值为114 K，TRx,2测试均值为65.6 K，TRx,3测试均值为99.2 K，TRx,4测试均值为79.9 K。与105.2 K的真实噪声温度值相比，用冷热负载法测试TRx,1均值的误差为8.4%，用斩波轮法测试TRx,3均值的误差为5.7%。在选取常温大黑体劈尖位置温度进行的测算中，用冷热负载法测试TRx,3均值的误差则为37.6%，用斩波轮法测试的TRx,4均值的误差为24.1%。

3 结束语

通过使用冷热负载法和斩波轮法对Ku波段常温接收机进行多组噪声温度测试及分析，得出常温黑体温度的不确定性及缩短冷热负载之间的温度差会增加噪声温度测试的不确定度。最终从南山站晴朗夜空室外条件下的测试结果得出斩波轮法噪声温度测试均值误差为5.7%(低于10%)。因此在晴好的夜间条件下，斩波轮法可以满足Ku波段接收机噪声温度的测试需求。