Ku波段接收機噪聲溫度測試及分析

王 凱，陳卯蒸，李笑飛，李 健，項斌斌，閆 浩，王 洋

(1. 中國科學院新疆天文臺， 新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國科學院射電天文重點實驗室， 江蘇 南京 210008)

引 言

射電天文是用射電望遠鏡觀測由宇宙天體輻射來的無線電波的一門學科[1]，而微波接收機是射電望遠鏡中專門用于接收射電信號的設備[2]。目前關于微波接收機的定義并不統(tǒng)一，有人認為接收機包括饋源，也有人認為饋源是天線系統(tǒng)的一部分，本文取前者。以中國科學院新疆天文臺南山26 m射電望遠鏡為例，原始射電信號經(jīng)天線主反射面一次反射、副反射面二次反射至接收機饋源處[3-4]，再經(jīng)接收機的正交模耦合器[5]、低噪聲放大器等器件后傳輸至數(shù)據(jù)終端，如圖1所示。

圖1 微波接收機信號傳輸鏈路

微波接收機最主要的技術指標是靈敏度，靈敏度越高，可探測微弱信號的能力就越強。當原始射電信號經(jīng)接收機傳輸時，接收機自身的噪聲會添加到信號中，導致弱的信號無法被探測到。一般將接收機自身產(chǎn)生的熱噪聲(強度響應)稱為接收機等效的噪聲溫度。噪聲溫度越低，接收機的靈敏度就越高[6]。

提升接收機的靈敏度并降低其噪聲溫度是每部接收機的設計目標。對整個接收機低噪聲放大器及前級的微波器件制冷是降低接收機噪聲溫度的最佳途徑。以新疆天文臺南山站K波段接收機為例，該波段接收機制冷后的噪聲溫度為16 K，而常溫狀態(tài)下的噪聲溫度卻接近400 K。由于觀測的科學目標不同，也有相當部分射電望遠鏡使用常溫接收機，如南山站采用主要用于全息法測量的Ku波段接收機。與制冷接收機相比，常溫接收機不需為制冷部件專門設計杜瓦，接收機整體結構相對簡單。但無論是常溫接收機還是制冷接收機，噪聲溫度都是其性能好壞的直接指標，故對接收機噪聲溫度的測試就顯得尤為重要[7]。

1 噪聲溫度的測試方法

1.1 冷熱負載法

對于接收機噪聲溫度的測試，最常用的也是最經(jīng)典的方法是冷熱負載法，也就是Y因子法。該方法就是將2個不同物理溫度、寬帶的輻射源(比如冷、熱黑體)分別放置在接收機第一級放大器或者混頻器的前級，使其輻射注入接收機的饋源或者波導，產(chǎn)生的帶通信號如圖2所示。

在冷、熱負載分別覆蓋接收機饋源口面時，記錄冷負載溫度Tcold、常溫黑體負載(熱負載)溫度Thot、冷負載強度輸出Vcold和常溫黑體負載(熱負載)強度輸出Vhot，根據(jù)式(1)、式(2)便可計算出接收機的噪聲溫度TRx(接收機自身強度響應的等效溫度值)以及Y因子(當熱、冷負載被放置到饋源前級時接收機的功率響應比率)：

(1)

(2)

式中：VRx為接收機自身的強度輸出。

圖2 冷、熱負載下接收機系統(tǒng)的帶通響應

在冷熱負載法測試中，熱負載一般使用常溫狀態(tài)下的黑體，冷負載則將黑體放置于盛滿液氮的泡沫器皿內(nèi)，以將其溫度降至液氮溫度(77 K ～80 K)。由于冷負載不方便在觀測過程中使用，因此一般在觀測前將天線仰角調(diào)整到90°，由接收機工程師專門進行噪聲溫度測試。另外，由于不同波段接收機微波器件尺寸大小不一，長厘米波段饋源尺寸過大(如南山站L波段接收機饋源直徑為1.05 m)，即便在觀測前使用冷熱負載法也非常困難，因為很難提供一個足夠大的冷負載完全覆蓋其饋源口面。

1.2 斬波輪法

BTL(Bell Telephone Laboratory)提出使用斬波輪法對毫米波接收機進行強度校準。該方法是在饋源頂部交替引入和移除一個常溫黑體，使接收機交替測試常溫黑體和天空的輻射，以此測試接收機的噪聲溫度[8]。其原理與冷熱負載法相同，只是用來自冷空的輻射代替了冷負載。測試時，在饋源頂部交替引入和移除常溫黑體，分別記錄常溫黑體負載溫度、天空亮溫度Tsky、常溫黑體負載強度輸出和冷空輻射的強度輸出Vsky，便可計算出接收機的噪聲溫度和斬波輪方法中的Y因子(接收機測試常溫負載和冷空輻射時的功率響應比率)：

(3)

(4)

雖然斬波輪法最早是在毫米波測試中被提出來的(因為它可以自動補償大氣吸收的變化，特別適合大氣條件快速變化的情況)，但同樣適用于厘米波測試。采用該方法，在觀測中僅需切換常溫負載便可測試噪聲溫度，不需專門準備冷負載，也不需將天線仰角調(diào)整到90°，但在測試中需知該頻段在不同仰角下的天空亮溫度，因為不同仰角的天空亮溫度不同。

2 Ku波段接收機噪聲溫度測試及分析

斬波輪法可以在天線觀測過程中快速測試接收機的噪聲溫度，因而比傳統(tǒng)冷熱負載法簡單易行。為此在實驗室搭建Ku波段常溫接收機測試平臺，在其上進行2種噪聲溫度測試方法的對比及分析。Ku波段常溫接收機由饋源(12 GHz ～ 18 GHz)、正交模耦合器、漸變波導和低噪聲放大器(噪聲系數(shù)0.8，增益55 dB)組成。圖3為Ku波段常溫接收機實物圖。

圖3 Ku波段常溫接收機實物圖

測試選用大小2種規(guī)格的黑體負載，如圖4所示。按照測試黑體劈尖長度至少大于測試波段1/4波長的要求，這2種黑體均滿足Ku波段接收機的噪聲溫度測試需求。

圖4 測試黑體負載

強度輸出采用總功率的測試方法進行功率獲取，功率計選用安捷倫N1914A，功率探頭為E9300A(10 MHz～18 GHz)，冷熱黑體負載溫度值取自溫度計Testo 735，測試系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 Ku波段接收機測試系統(tǒng)

2.1 白天室外噪聲溫度測試(2018年5月17日)

2018年5月17日白天，在臺本部室外條件下，采用冷熱負載法及斬波輪法對Ku波段接收機進行噪聲溫度測試。常溫負載選用大小2種規(guī)格的黑體，冷負載采用放置于盛滿液氮的泡沫器皿中的小黑體(因大黑體需要更大的器皿和更多的液氮，不易操作)。測試中使Ku波段常溫接收機的波束正對向冷空，仰角為90°(該仰角方便進行冷熱負載法測試)，在該仰角下Ku波段的天空亮溫度取為4 K[9]。

使用冷熱負載法和斬波輪法分別進行5組噪聲溫度測試，測試結果如圖6所示。其中TRx，1為冷熱負載法下使用常溫小黑體得到的噪聲溫度值，TRx,2為冷熱負載法下使用常溫大黑體得到的噪聲溫度值，TRx,3為斬波輪法下使用常溫小黑體得到的噪聲溫度值，TRx,4為斬波輪法下使用常溫大黑體得到的噪聲溫度值。

圖6 噪聲溫度測試結果(2018年5月17日)

從5組測試結果來看，TRx,1測試均值為80 K，TRx,2測試均值為76.6 K，TRx,3測試均值為90.5 K，TRx,4測試均值為88.2 K。在冷熱負載法測試中，常溫黑體受環(huán)境影響較大(朝陽處溫度高，背陽處溫度低)，常溫大、小黑體最大測試溫差達9.2 K。由于無法確定常溫黑體的實際溫度，故暫時無法確定該接收機的真實噪聲溫度，最終選取常溫大、小黑體劈尖位置溫度計算出噪聲溫度相差約3.4 K。在斬波輪法測試中，除常溫黑體溫度不確定外，測試時為薄云天氣，將4 K的天空亮溫度(適用于晴朗夜空條件下)直接用于噪聲溫度計算，也會增加測試的不確定性，相關結論有待進一步測試。

2.2 白天室內(nèi)噪聲溫度測試(2018年5月18日)

由于暫時不具備晴朗夜空條件，2018年5月18日，在臺本部白天室內(nèi)條件下，對Ku波段接收機單獨進行了冷熱負載法測試。在此次測試中，常溫負載選用大小2種規(guī)格的黑體，冷負載則采用放置于盛滿水的泡沫器皿中的小黑體負載，縮小冷熱負載之間的溫度差(溫差不超過10 K)，以此檢測其對噪聲溫度測試的影響，測試數(shù)據(jù)及結果見表1。

表1 常溫和低溫(水中)冷熱負載法測試數(shù)據(jù)及結果

注：表中Vhot,1為常溫小黑體負載強度輸出；Vhot,2為常溫大黑體負載強度輸出；Thot,1為常溫小黑體負載溫度；Thot,2為常溫大黑體負載溫度。

從8個測試結果來看，只有1個測試結果為正值(87.90 K)，其原因是冷熱負載之間溫度差值及對應的功率輸出差值太小。用標準差計算，用冷熱負載法測試噪聲溫度的不確定度達到42.8%。因此，為降低噪聲溫度測試的不確定度，冷熱負載的溫度差必須足夠大。

2.3 夜間室外噪聲溫度測試(2018年5月20日)

2018年5月20日，在南山站夜間室外條件下，對Ku波段接收機使用冷熱負載法和斬波輪法分別進行了3組測試，噪聲溫度測試結果如圖7所示。

圖7 噪聲溫度測試結果(2018年5月20日)

從3組測試結果來看，TRx,1測試均值為101.4 K，TRx,2測試均值為63.6 K，TRx,3測試均值為90.7 K，TRx,4測試均值為75.9 K。在冷熱負載法測試中，雖然夜間環(huán)境溫度穩(wěn)定，但大黑體比小黑體溫度高(最大溫差為7.5 K)。其原因是大黑體散熱慢，小黑體更單薄因而其溫度更容易接近環(huán)境溫度，故認為TRx,1更接近該接收機真實的噪聲溫度，用標準差計算，用小黑體測試噪聲溫度的不確定度為0.26%。由于常溫大黑體自身溫度不均勻(劈尖比底部低約4 K)，TRx,2最終選取常溫大黑體劈尖位置溫度進行計算，用標準差計算，用大黑體測試噪聲溫度的不確定度為0.64%。在斬波輪法測試中，除常溫大黑體同樣存在溫度不均勻以外，TRx,3和TRx,4的測試結果僅作為參考(因測試時天空中略有薄云)，之后在晴朗夜間進行測試后再做討論。

2.4 白天室內(nèi)噪聲溫度測試(2018年5月22日)

鑒于常溫大黑體在室外環(huán)境條件下溫度不均勻，故2018年5月22日在南山白天室內(nèi)條件下，將測試用大小黑體及準備盛放液氮的小黑體長時間放置在室內(nèi)，測試3種黑體的溫度及功率輸出，測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 常溫黑體測試數(shù)據(jù)(2018年5月22日)

表2中的測試結果表明，3種黑體被長時間放置于實驗室后，其最大溫差為0.9 K，功率差為24 nW，二者的變化范圍均遠小于之前在室外環(huán)境中得到的測試結果。

鑒于此，在實驗室內(nèi)采用上述黑體進行2組冷熱負載法測試。選用的常溫小黑體的噪聲溫度測試結果分別為106.3 K和104.5 K，選用的常溫大黑體的噪聲溫度測試結果分別為105.8 K和104.1 K，4個噪聲溫度值均比較接近，故認為均值105.2 K為Ku波段接收機真實的噪聲溫度。

2.5 夜間室外噪聲溫度測試(2018年5月22日)

2018年5月22日晚在南山站晴朗夜空室外條件下，對Ku波段接收機使用冷熱負載法及斬波輪法分別進行了3組測試。測試的常溫負載主要選用小黑體，大黑體由于自身溫度不均勻僅做參考，冷負載則采用放置于盛滿液氮的泡沫器皿中的小黑體負載，噪聲溫度測試結果如圖8所示。

圖8 噪聲溫度測試結果(2018年5月22日室外)

從3組測試結果來看，TRx,1測試均值為114 K，TRx,2測試均值為65.6 K，TRx,3測試均值為99.2 K，TRx,4測試均值為79.9 K。與105.2 K的真實噪聲溫度值相比，用冷熱負載法測試TRx,1均值的誤差為8.4%，用斬波輪法測試TRx,3均值的誤差為5.7%。在選取常溫大黑體劈尖位置溫度進行的測算中，用冷熱負載法測試TRx,3均值的誤差則為37.6%，用斬波輪法測試的TRx,4均值的誤差為24.1%。

3 結束語

通過使用冷熱負載法和斬波輪法對Ku波段常溫接收機進行多組噪聲溫度測試及分析，得出常溫黑體溫度的不確定性及縮短冷熱負載之間的溫度差會增加噪聲溫度測試的不確定度。最終從南山站晴朗夜空室外條件下的測試結果得出斬波輪法噪聲溫度測試均值誤差為5.7%(低于10%)。因此在晴好的夜間條件下，斬波輪法可以滿足Ku波段接收機噪聲溫度的測試需求。