一种噪声源的校准方法

中电科思仪科技股份有限公司 李文军 宋青娥 杨保国

噪声系数是表征接收机及其组成部件在有热噪声存在的情况下接收小信号能力的主要参数。各种通信系统中接收机前端的低噪声放大器、混频器和中放等的噪声系数往往决定了整个系统的性能，现代通信技术的发展对这些部件、组件和系统的噪声系数提出了更高的要求，噪声系数的精确测量对于这些产品的研发和制造都非常关键。噪声源作为噪声系数测量中的标准激励源，其校准精度对噪声系数的测量精度具有直接影响，噪声源的校准技术是噪声系数测试的重要技术之一。

1 噪声源校准方法及结果分析

噪声源超噪比的校准精度是影响噪声系数测量不确定度的一个明显因素，噪声源的精确校准可以最大限度减小超噪比（ENR）不确定度，进而提高了噪声系数测量精度。目前常用的噪声源校准方法有两种，一是直接校准法（也称为一级校准法），该方法一般采用狄克辐射计（也可用高灵敏度的噪声系数分析仪）作为接收机，与实验室冷、热噪声标准比对实现固态噪声源的校准。二是跟踪校准法（也称二级校准法），就是与经过一级校准的标准噪声源进行对比测试，实现对噪声源的溯源校准。噪声源一级校准虽然可以获得相对高的校准精度，但由于系统配置复杂、设备昂贵、不能扫频测量效率低，并不适合噪声源的批量校准。本文介绍了一种噪声源的二级校准方法，在保证精度的前提下，可以进行快速扫频校准，大大提高了效率，更适合噪声源的工厂批量校准。

1.1 二级校准法

噪声源超噪比定义为噪声源超过标准噪声温度T0热噪声的倍数。

Th和Ta是噪声源开、关状态时噪声源的等效输出噪声温度，T0为标准噪声温度（290k）。

二级校准系统组成如图1所示，主要包括标准噪声源、噪声源校准装置、高灵敏度噪声系数分析仪等。噪声源校准装置内置高隔离开关矩阵，具有非常好的匹配和隔离特性，能确保整个校准系统具有良好的测量重复性，减小校准系统的不确定度。二级校准就是利用噪声系数分析仪主机的本机噪声系数在一定时间内不变这一基本原理实现待测噪声源的快速校准。

校准步骤：

按照图1连接好校准系统，开机预热30min。（ENR标为标准声源的超噪比，单位为dB，在每一个标称频率点对应不同的值，由厂家给出。）

图1 噪声源二级校准系统框图

（1）按照标准噪声源标称频率点设置噪声系数分析仪为列表扫描方式，显示格式为Y因子，单位线性；

（2）记下各校准频率点的Y因子，记为Y标；

Th标可按(1)式由标准噪声源的超噪比换算得到。

（3）接上待校准噪声源，重复上面两步，得到所有待测频率点的Y因子，记为Y测；

由(2)、(3)式可得：

1.2 校准结果不确定度分析

由(4)式可以看出，二级校准的不确定度主要由三个方面的因素：Y因子测量不确定度、标准噪声源超噪比的不确定度和室温变化的不确定度。对(4)式进行全微分得：

式中：

∂Th标：标准噪声源等效输出温度不确定度；

∂Y测：Y因子测量不确定度；

∂Ta：测试过程中室温引入的测试不确定度。

公式(5)中Y因子及其不确定度均为线性值。由于噪声源的超噪比不确定度、噪声系数分析仪Y因子的测试不确定度一般用dB表示，因此通过下式将线性值转为dB值：

可得：

可以通过(7)、(8)式转换整理，可得被测噪声源的超噪比不确定度：

对各项误差分析如下：

（1）Y标测量的不确定度Y标dB

Y标的不确定度主要由标准噪声源与噪声源校准装置端口间的失配误差∂标-装和噪声系数分析仪的Y因子测量不确定度δY组成，计算如下：

（2）Y测测量的不确定度∂Y测dB

Y测的不确定度主要由被测噪声源与噪声源校准装置端口间的失配误差∂测-装和噪声系数分析仪的Y因子测试不确定度δY组成，计算如下：

（3）ENR标dB由厂家给出

（4）Ta：校准过程中室温引入起的测试不确定度，采用分辨率为0.5K的温度计测量，一般可控制在±0.5K之内。

将中电科思仪科技股份有限公司的16603噪声源作为标准噪声源用二级校准方法对被测噪声源进行测试，根据所测得的数据以及标准噪声源的超噪比数据，用公式(9)对校准不确定度进行计算，得到被测噪声源的均方根测试不确定度，测试数据计算结果见如表1所示，不确定度曲线如图2所示。

表1 二级校准的测试数据及测试不确定度计算结果

图2 二级校准不确定度

通过上图我们可以看出，二级校准的系统不确定度小于0.3dB，满足业界噪声源校准精度要求。

2 结论

本文介绍的噪声源二级校准可以简单方便的实现噪声源的批量校准，可以满足大多数用户对噪声源校准精度的要求，同时也可减少因噪声源的外送一级校准而造成的校准周期长、科研生产停工和费用较高等问题。