曹 月，胡 瑜，楊寒旭，張金伶，翟 宏

（北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100039）

1 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航有源接收天線噪聲溫度是導(dǎo)航接收系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一。 由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的發(fā)射功率較小，到達(dá)地面用戶接收機(jī)時(shí)相當(dāng)微弱（衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)大約為－130 dBm），比接收機(jī)熱噪聲還要低約20 dB。 衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)為了提高衛(wèi)星導(dǎo)航接收靈敏度，減少天線與低噪聲放大器之間的損耗帶來(lái)的噪聲，通常將低噪聲放大器安裝固定在接收天線里面。 為了減少外來(lái)干擾，防止寬帶干擾阻塞低噪聲放大器，將帶通濾波器也安裝在接收天線與低噪聲放大器之間。 即衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)被無(wú)源天線接收下來(lái)后，再經(jīng)過(guò)帶通濾波器、低噪聲放大器和饋電網(wǎng)絡(luò)后輸出到天線外連接頭，通過(guò)電纜輸送到導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行處理，得到導(dǎo)航信息。 一般的有源天線包含：無(wú)源天線、低噪聲放大器LNA、帶通濾波器BPF 和饋電網(wǎng)絡(luò)等器件。 有源天線的微波噪聲來(lái)源有：無(wú)源天線的損耗、帶通濾波器損耗、低噪聲放大器的噪聲和饋電網(wǎng)絡(luò)的損耗［1］。 因此不能用低噪聲放大器的噪聲溫度代替有源天線的總體噪聲溫度，有源天線的總噪聲溫度要大于低噪聲放大器的噪聲溫度。 有源天線的電路示意圖如圖1 所示。 本項(xiàng)目是解決有源天線整個(gè)部件噪聲溫度的測(cè)量難題，不僅僅是有源天線內(nèi)部低噪聲放大器的分立部件測(cè)量。

圖1 衛(wèi)星導(dǎo)航有源天線原理框圖Fig.1 Schematic diagram of satellite navigation active antenna

2 噪聲溫度測(cè)量原理

常規(guī)的放大器噪聲溫度測(cè)量方法是Y 系數(shù)法［2，3］：在被測(cè)器件的輸入端分別連接冷噪聲源和熱噪聲源，這兩個(gè)源輸出噪聲溫度Tc和Th是已知的，在被測(cè)件的輸出端口分別測(cè)量由此產(chǎn)生的輸出噪聲功率N1和N2。 由N1和N2的比值得到Y(jié) 系數(shù)。將已知的Y，Th和Tc數(shù)值帶入式（1），計(jì)算出等效輸入噪聲溫度Te為：

圖2 常規(guī)放大器噪聲溫度測(cè)量原理框圖Fig.2 Schematic diagram of conventional amplifier noise temperature measurement

在測(cè)量放大器、混頻器或接收機(jī)噪聲溫度時(shí)，通常使用的噪聲源有［4］：固態(tài)噪聲發(fā)生器、氣體放電管噪聲發(fā)生器、冷熱體噪聲發(fā)生器。 這些噪聲源的輸出端口是同軸型或波導(dǎo)型，但是有源天線的輸入端口為天線口面，常規(guī)的噪聲源無(wú)法使用。 我們研制出了以口面形式提供噪聲功率的噪聲源，即提供標(biāo)準(zhǔn)輻射噪聲溫度的口面噪聲源。 用兩個(gè)有明顯差別的、輸出輻射噪聲溫度已知的口面噪聲源，分別輸出到有源天線口面上，在有源天線輸出端測(cè)量出Y 系數(shù)，并根據(jù)噪聲源的標(biāo)準(zhǔn)量，則可以計(jì)算出有源天線的噪聲溫度。

圖3 測(cè)量有源天線的原理框圖Fig.3 Schematic diagram of active antenna measurement

3 口面型噪聲源

自然界一般物體都不是理想黑體，其表面發(fā)射率e都小于1，稱為灰體。 只有黑體的發(fā)射率e＝1。因此，微波頻段灰體的表面噪聲溫度應(yīng)該表征為：

式中：e——輻射體發(fā)射率；T——輻射體物理溫度，K。

由式（2）可知，在微波頻段內(nèi)，只要測(cè)量出輻射體的真實(shí)溫度（物理溫度）和發(fā)射率后，就可以求得其噪聲溫度。 這個(gè)公式是研制口面噪聲源的理論基礎(chǔ)。 口面噪聲源主要由輻射體、控溫體、溫度傳感器、保溫箱、外部的溫度控制儀和溫度測(cè)量?jī)x組成。 在微波頻段內(nèi)輻射體的發(fā)射率不隨溫度變化，我們通過(guò)控制輻射體的物理溫度并準(zhǔn)確測(cè)量，可以得到不同、準(zhǔn)確已知的輸出噪聲溫度。

在遙感領(lǐng)域，用于微波毫米波輻射計(jì)校準(zhǔn)的定標(biāo)源［5］就屬于口面型噪聲源。 口面輻射噪聲源原理示意圖如圖4 所示。

圖4 口面輻射噪聲源原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of surface type noise source

研制了兩種口面型噪聲源：一個(gè)是熱態(tài)，一個(gè)是冷態(tài)，結(jié)構(gòu)區(qū)別是冷口面噪聲源還要含外部的液氮杜瓦瓶、輸液杜瓦管和電磁閥，且控溫體要復(fù)雜一些。 在圖4 中示意出在熱口面噪聲源中，口面朝上的輻射體，輻射體下面是控溫體，輻射體上方是具有保溫／保冷功能的具有低損耗特性的微波窗，微波窗上面空間用于放置被測(cè)天線。

高發(fā)射率輻射體采用在金屬基體上涂敷吸波材料的方式加工而成［6］。 輻射體結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 輻射體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of radiator structure

輻射體是由64 個(gè)單體方錐拼接而成的陣列，每個(gè)單錐錐體高度為160 mm，錐底寬度為50 mm，有效口徑為400 mm 的正方形，實(shí)物如圖6 所示。

圖6 輻射體實(shí)物圖Fig.6 Physical diagram of radiator

在工作中我們通常用電壓反射系數(shù)Γ 表示反射特性，則電壓反射系數(shù)Γ 與輻射體發(fā)射率e之間的關(guān)系為：

式中：?！椛潴w后向電壓反射系數(shù)。

由式（3）可知，輻射體發(fā)射率的測(cè)量歸結(jié)于輻射體后向電壓反射系數(shù)的測(cè)量。 測(cè)量輻射體后向反射系數(shù)的方法主要有：傳輸線法、弧形框法、空間駐波比法等。 空間駐波比法為目前國(guó)際上測(cè)量輻射體后向反射系數(shù)所普遍采用的方法［7］，其測(cè)量原理框圖如圖7 所示。 按照文獻(xiàn)［7］中提供的測(cè)量方法，我們測(cè)量出輻射體發(fā)射率大于0.997。

圖7 空間駐波比法測(cè)量原理圖Fig.7 Schematic diagram of spatial standing wave ratio measurement

由輻射體、控溫體、保溫箱等部件組裝出兩個(gè)口面型噪聲源，其中冷口面噪聲源是通過(guò)液氮完成降溫，其輻射體物理溫度范圍為（150 ～330） K；熱口面噪聲源的輻射體物理溫度范圍為：常溫～330 K。這兩個(gè)口面噪聲源通過(guò)一臺(tái)溫度控制儀設(shè)置溫度點(diǎn)和調(diào)節(jié)加熱致冷。

衛(wèi)星導(dǎo)航有源天線噪聲溫度測(cè)量裝置如圖8所示，圖8 中左1 是自增壓液氮罐，其液氮輸出連接一個(gè)電磁閥，溫度控制儀控制電磁閥周期性開斷調(diào)節(jié)液氮流量；中間是冷口面噪聲源；右1 是熱口面噪聲源。 后面工作桌上是噪聲溫度測(cè)量接收機(jī)和溫度控制儀，上面是接收機(jī)，下面是溫度控制儀。

圖8 衛(wèi)星導(dǎo)航有源天線噪聲溫度測(cè)量裝置實(shí)物圖Fig.8 Physical diagram of GNSS active antenna noise temperature measuring device

4 測(cè)量結(jié)果分析

選取某廠家的有源天線，將天線固定到口面噪聲源的安裝板上進(jìn)行測(cè)試。 本項(xiàng)目口面噪聲源的輻射體物理溫度需要1 h 以上的時(shí)間才能到溫并穩(wěn)定，待物理溫度穩(wěn)定后方能開始測(cè)試，測(cè)量結(jié)果如圖9 所示。 在圖9（b）中，我們給出了（1.19 ～1.29） GHz 頻率點(diǎn)上的天線噪聲測(cè)量結(jié)果，圖中間有兩個(gè)隆起，首先我們從圖9（a）Phot測(cè)量結(jié)果曲線上排除了同頻信號(hào)干擾，表明天線噪聲溫度數(shù)值比較大，說(shuō)明天線與濾波器之間、濾波器與放大器之間存在設(shè)計(jì)問(wèn)題或其它問(wèn)題，體現(xiàn)了有源天線噪聲溫度測(cè)量的必要性。

圖9 有源天線噪聲溫度測(cè)量結(jié)果圖Fig.9 Phi and noise temperature measurement result of active antenna

在未考慮天線口面失配的情況下，衛(wèi)星導(dǎo)航有源天線噪聲溫度測(cè)量裝置測(cè)量擴(kuò)展不確定度［8］（擴(kuò)展因子k＝2）分別約為：8.1 K＠噪聲溫度＝60 K，15.7 K＠噪聲溫度＝200 K，36 K＠噪聲溫度＝440 K。

5 結(jié)束語(yǔ)

研制的口面型噪聲源工作頻率為L(zhǎng) 和S 波段，覆蓋衛(wèi)星導(dǎo)航工作頻段，可完成衛(wèi)星導(dǎo)航有源天線總體的天線噪聲溫度的測(cè)量。 可解決在研制、調(diào)試、制造、周期檢查和日常維護(hù)中，衛(wèi)星導(dǎo)航有源天線噪聲溫度技術(shù)參數(shù)無(wú)專用儀器測(cè)量的難題。