范昌模 程春悅

（北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京100039）

1 引言

有源冷噪聲源（Active Cold Noise Source，ACNS）無(wú)需制冷就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的低溫噪聲，具有廣泛應(yīng)用前景，1981年澳大利亞Frater 等人設(shè)計(jì)實(shí)物電路驗(yàn)證其提出的冷場(chǎng)效應(yīng)管理論［1］并預(yù)言了這類電路的應(yīng)用。冷場(chǎng)效應(yīng)管理論是指通過(guò)電感負(fù)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(gè)很小的電阻，因而柵極向外界輸出一個(gè)極小的等效噪聲溫度。

輻射計(jì)定標(biāo)需要兩個(gè)參考源，即高溫源和冷源，其中冷源獲取相對(duì)困難。ACNS 的出現(xiàn)能降低傳統(tǒng)微波噪聲源獲取低溫噪聲的難度，有效節(jié)約定標(biāo)成本，將ACNS 作為微波輻射計(jì)的低溫參考源契合實(shí)際。

目前，國(guó)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(yàn)證了冷場(chǎng)效應(yīng)管理論的準(zhǔn)確性。國(guó)內(nèi)外有源冷噪聲器件的成功設(shè)計(jì)表明冷場(chǎng)效應(yīng)管理論已趨于成熟，接下來(lái)的發(fā)展方向是推動(dòng)ACNS 向應(yīng)用方向前進(jìn)，克服ACNS 在工程技術(shù)應(yīng)用上的困難，推進(jìn)部分關(guān)鍵指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2 有源冷噪聲源原理

在傳統(tǒng)低頻電路中，一個(gè)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(chǎng)效應(yīng)晶體管得到一個(gè)最小反向噪聲溫度。

設(shè)計(jì)噪聲匹配本質(zhì)是讓噪聲源阻抗實(shí)際值（可以通過(guò)負(fù)反饋改變）等于最佳源阻抗，在ADS 仿真中的表達(dá)就是最佳反射系數(shù)。這是用于設(shè)計(jì)ACNS 最小反向輸出噪聲溫度的第一個(gè)指標(biāo)。有源冷噪聲源的二端口網(wǎng)絡(luò)微波噪聲模型框圖如圖1 所示。

圖1 二端口網(wǎng)絡(luò)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(jīng)過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)將向接收機(jī)饋入一個(gè)很小的噪聲信號(hào)，等效成噪聲溫度為［6］

式中:T2——負(fù)載物理溫度；T1——和輸入端相連的系統(tǒng)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(dǎo)。

非最佳噪聲匹配狀態(tài)下，?！鋙pt與Γopt的關(guān)系為

在此條件下，化簡(jiǎn)Ta和Tb并代入式（3），可以得到新的TS，1表達(dá)式。對(duì)求偏導(dǎo)并整理得到

輸入功率匹配的條件下有

根據(jù)式（10）調(diào)節(jié)參考平面3 和4 之間的S 參數(shù)矩陣可以得到一個(gè)最小ΓL值，對(duì)應(yīng)可以獲得一個(gè)最小的TS，1。這是設(shè)計(jì)ACNS 最小輸出噪聲溫度的第三個(gè)指標(biāo)的公式表達(dá)，可以應(yīng)用于ADS 仿真環(huán)節(jié)。

綜上所述，有源冷噪聲源的反向輸出噪聲溫度的貢獻(xiàn)有三項(xiàng):接收機(jī)系統(tǒng)和二端口網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)輸入噪聲信號(hào)饋入再反射的噪聲信號(hào)；晶體管自身的反向輸出噪聲信號(hào)；二端口網(wǎng)絡(luò)輸出端饋入和負(fù)載饋入的噪聲信號(hào)。設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)每一項(xiàng)噪聲信號(hào)進(jìn)行最小化處理，從而完成有源冷噪聲源的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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(wǎng)絡(luò)微波噪聲模型中一個(gè)最小的TS，1。根據(jù)以上分析，整個(gè)設(shè)計(jì)流程如下。

1）選取擁有良好反向隔離度和低噪聲阻抗的場(chǎng)效應(yīng)管；

2）根據(jù)廠商提供的晶體管測(cè)試數(shù)據(jù)確定偏置電路；

3）保證系統(tǒng)處于絕對(duì)穩(wěn)定條件下調(diào)諧源極反饋電感的值尋求一個(gè)最小的負(fù)載反射系數(shù)；

4）設(shè)計(jì)輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；

5）對(duì)輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)諧和優(yōu)化，同時(shí)滿足輸入功率匹配和噪聲匹配兩個(gè)條件；

6）添加直流隔離電容，并綜合調(diào)諧使3 個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)效果。

以上步驟在設(shè)計(jì)中可以反復(fù)迭代，力求達(dá)到最佳效果。

根據(jù)調(diào)研，高電子遷移率場(chǎng)效晶體管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）適合作為有源冷噪聲源設(shè)計(jì)的核心晶體管，此次選取了ATF54143型和ATF35143 型pHEMT 管作為設(shè)計(jì)冷噪聲源的核心器件。這兩款芯片符合設(shè)計(jì)要求，兩者在性能上有著共同點(diǎn)和差異點(diǎn)。

整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程利用ADS（Advance Design System）仿真實(shí)現(xiàn)，其中以ATF54143 為核心設(shè)計(jì)的ACNS 在Vds =2.12V，Id =144mA，Vgs =0.693V 偏置下，于1.414GHz頻率點(diǎn)有最小噪聲系數(shù)NF =0.437dB；最佳輸入噪聲阻抗Zopt =49.800-j ×1.446Ω；最小負(fù)載反射系數(shù)→0，系統(tǒng)穩(wěn)定因子滿足絕對(duì)穩(wěn)定:stabfact1=1.146＞1，0＜stabmeas1=0.656＜1。在（1.4 ～1.43）GHz 范圍內(nèi)，輸入反射系數(shù)S11＜-29dB，同時(shí)此頻帶范圍內(nèi)系統(tǒng)處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

以ATF54143 為核心設(shè)計(jì)的ACNS 三個(gè)優(yōu)化指標(biāo)及噪聲系數(shù)如圖2 所示。

圖2 ATF54143 仿真數(shù)據(jù)示意圖Fig.2 Simulation data of ATF54143

以ATF35143 為核心設(shè)計(jì)的ACNS 在Vds =2.03V，Id=14.7mA，Vgs=-0.58V 偏置下，于1.414GHz頻率點(diǎn)有最小噪聲系數(shù)NF =0.564dB；最佳輸入噪聲阻抗Zopt=49.271+ j ×2.827Ω；最小負(fù)載反射系數(shù)0，系統(tǒng)穩(wěn)定因子滿足絕對(duì)穩(wěn)定:stabfact1=1.085＞1，0＜stabmeas1=0.424＜1。在（1.4～1.43）GHz范圍內(nèi)，輸入反射系數(shù)S11＜-23dB，同時(shí)此頻帶范圍內(nèi)系統(tǒng)處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

以ATF35143 為核心設(shè)計(jì)的ACNS 三個(gè)優(yōu)化指標(biāo)及噪聲系數(shù)如圖3 所示。

后續(xù)還需要對(duì)實(shí)物進(jìn)行封裝和測(cè)試，有源冷噪聲源輸出亮溫的測(cè)量主要利用搭建的周期定標(biāo)輻射計(jì)完成。此處選取的兩款應(yīng)用于ACNS 設(shè)計(jì)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(fù)），目前已經(jīng)通過(guò)PCB 制作實(shí)現(xiàn)了實(shí)物，后期將利用本文第4 節(jié)搭建的輻射計(jì)系統(tǒng)測(cè)量輸出亮溫等參數(shù)來(lái)分析兩款芯片用于ACNS 設(shè)計(jì)的差異。

圖3 ATF35143 仿真數(shù)據(jù)示意圖Fig.3 Simulation data of ATF35143

4 周期定標(biāo)輻射計(jì)

定標(biāo)是微波輻射計(jì)測(cè)量的前提，相應(yīng)地，定標(biāo)精度的高低直接決定微波輻射計(jì)對(duì)環(huán)境參數(shù)的遙感的質(zhì)量［7］。輻射計(jì)兩點(diǎn)定標(biāo)過(guò)程利用如圖4 所示的原理搭建系統(tǒng)，通過(guò)搭建的系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)的有源冷噪聲源的低輸出噪聲溫度特性進(jìn)行驗(yàn)證。

根據(jù)圖4 輻射計(jì)定標(biāo)原理計(jì)算出待測(cè)目標(biāo)亮溫為

對(duì)接收機(jī)定標(biāo)可以檢驗(yàn)接收機(jī)的線性度，并對(duì)接收機(jī)的靈敏度、穩(wěn)定性等性能進(jìn)行測(cè)試，建立起接收機(jī)輸出電壓與接收機(jī)輸入噪聲溫度的線性關(guān)系。

圖4 輻射計(jì)定標(biāo)原理圖Fig.4 Radiometer calibration schematic

在接收機(jī)定標(biāo)的基礎(chǔ)上，利用開關(guān)在冷源、熱源、ACNS 之間切換，通過(guò)周期循環(huán)測(cè)量，最終得出待測(cè)ACNS 的輸出噪聲溫度。本文設(shè)計(jì)的輻射計(jì)系統(tǒng)框圖如圖5 所示［8］。

傳統(tǒng)定標(biāo)冷源主要利用液氮或液氦制冷來(lái)達(dá)到輸出低輻射亮溫的目的，這類技術(shù)具有原理簡(jiǎn)單、技術(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)具有器件笨重、維護(hù)不便、使用成本高等明顯缺點(diǎn)。相比之下有源冷噪聲器件在定標(biāo)之后作為冷參考可以滿足絕大部分輻射計(jì)定標(biāo)需求，這將有效降低輻射計(jì)使用成本。

圖5 輻射計(jì)系統(tǒng)框圖Fig.5 Block diagram of radiometer system

5 結(jié)束語(yǔ)

有源冷噪聲源是基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）等效電路模型和雙端口微波噪聲模型而設(shè)計(jì)出的微波冷噪聲器件，其本質(zhì)是在常溫條件下輸出低噪聲溫度，表明其在微波輻射計(jì)定標(biāo)領(lǐng)域有巨大應(yīng)用價(jià)值。文中基于兩種pHEMT 型芯片設(shè)計(jì)的ACNS 仿真得到的噪聲參數(shù)、S 參數(shù)、輸入阻抗、負(fù)載反射系數(shù)、穩(wěn)定因子等指標(biāo)符合設(shè)計(jì)預(yù)期，后期還需利用輻射計(jì)確定兩款器件輸出亮溫的值，測(cè)定兩款器件輸出亮溫的短、長(zhǎng)期穩(wěn)定性。