多端口T/R組件的單通道噪聲系數(shù)測試方法*

楊順平，杜　艷，周太富

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

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多端口T/R組件的單通道噪聲系數(shù)測試方法*

楊順平**，杜艷，周太富

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

多端口T/R組件輸出端口的噪聲由各個通道共同決定，要測試單獨通道的噪聲系數(shù)非常困難。提出了一種基于衰減器改變的多端口TR組件單通道噪聲系數(shù)測試方法，消除了其他通道的噪聲影響，實現(xiàn)了對單獨通道噪聲系數(shù)的測試。通過測試一個8通道T/R組件的各個通道噪聲系數(shù)，與單獨通道測試結果進行了對比，兩種方法測試結果最大差異為0.08 dB，驗證了該方法可以很準確地測量多端口網(wǎng)絡的單通道噪聲系數(shù)。

相控陣；T/R組件；多端口；單通道噪聲系數(shù)測試

1　引　言

隨著相控陣天線向著更高的頻率發(fā)展，其集成度越來越高。天線陣面、T/R、信道、控制器做得越來越輕、越來越小[1-2]。T/R組件也由原來的獨立單通道變?yōu)槎嗤ǖ?，形成一個子陣網(wǎng)絡。由于子陣級T/R組件內(nèi)集成有功率分配/合成網(wǎng)絡，對子陣單元各通道信號進行合成和分配，從T/R組件角度來看這些通道只有一個公共信號口，形成N口對一口的接口形式。同時，由于T/R組件處于全通道工作模式，在測試某一收發(fā)通道的噪聲系數(shù)時，其他T/R組件都同時在供電，因此它們產(chǎn)生的噪聲在公共端口同時被合成且無法消除，這樣無法通過儀器直接測得每個通道不受其他通道影響的噪聲系數(shù)。所以其噪聲系數(shù)將不再是單獨的一個通道所決定，而是由所有通道共同作用的結果，相應地其測試方法也不能再采用原來的單獨通道的測試方法[3]，而需要新的測試方法以準確地測試多端口T/R組件的單通道噪聲系數(shù)。

文獻[4]給出了將多個網(wǎng)絡等效為一個2端口網(wǎng)絡，給出了多端口有源合成網(wǎng)絡噪聲系數(shù)的測試方法，并測試了一個4通道加一個4∶1功分網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)。文獻[5]給出了在其他端口接匹配負載或者特定噪聲源的情況下某一端口噪聲系數(shù)的測試方法。這些測試方法得到的結果能夠?qū)Χ嗫诰W(wǎng)絡T/R組件的噪聲特性進行一定程度的表征，并由這些參數(shù)能計算到整機的噪聲特性。但以上兩種方法都不是測試通道的單獨噪聲系數(shù)，而通道獨立的噪聲系數(shù)的真實情況，在T/R的生產(chǎn)調(diào)試、故障診斷時卻是非常需要的。因此，本文提出一種新的測試方法，用于解決多端口網(wǎng)絡T/R組件的單通道噪聲系數(shù)的測試問題。

2　基本理論

2.1多端口T/R組件的單通道噪聲

T/R組件一般由輸入端的低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)、濾波器、移相器、衰減器、功分合成網(wǎng)絡構成。當輸入端口噪聲為NIN,i時，其輸出噪聲為

(1)式中：NOUT為輸出端口總噪聲；i為通道編號；I為通道總數(shù)量；NIN,i為第i個通道的外部輸入噪聲；Ne,i為第i通道產(chǎn)生的噪聲折算到通道輸入端口后的等效噪聲；Gi為第i通道的增益。從公式(1)可以看出，輸出端口的噪聲由各個通道產(chǎn)生的噪聲疊加得到。

2.2多端口網(wǎng)絡單獨通道噪聲系數(shù)定義

如果只考慮某一通道的噪聲系數(shù)，多端口網(wǎng)絡單通道噪聲系數(shù)定義為

(2)式中：NFj即為第j通道的單獨噪聲系數(shù)，不含其他通道的影響；k為波爾茲曼常數(shù)；B為通道帶寬；T0為標準物理溫度(290 K)；Gi為第i通道增益；Te,j為第j個通道產(chǎn)生的折算到輸入端口的等效噪聲溫度。

2.3多端口T/R組件的單獨通道噪聲系數(shù)測試原理

根據(jù)前面分析可以看出，當含有網(wǎng)絡時，單獨T/R組件的噪聲系數(shù)測試由于其他通道的噪聲影響，無法直接測試。為了能獨立測試各個通道的噪聲系數(shù)，采用改變被測通道內(nèi)衰減器的衰減值，測試兩次的噪聲系數(shù)，由兩次的測試結果進行計算，從而得到獨立通道的噪聲系數(shù)。

第一步，如圖1所示，被測端口和功分網(wǎng)絡的輸出口分別連接到噪聲系數(shù)分析儀的相應端口上,被測試通道衰減器設置為0 dB。這時其他端口接匹配負載，相應的其他端口輸入噪聲應為N0=kT0。

圖1　實驗框圖

由于其他通道的影響，這時測試到的噪聲系數(shù)為

(3)

式中：NFj,1即為衰減器為0 dB時噪聲系數(shù)分析儀測試到的第j通道的噪聲系數(shù)；Gj,1為噪聲系數(shù)分析儀測試到的第j通道的增益，Gj,1=Gj,LNAGj,x，Gj,LNA為輸入端到衰減器端口的增益，Gj,x為衰減器輸入端口到功分合成網(wǎng)絡輸出端口的增益；LC為衰減器輸出端口到功分合成網(wǎng)絡輸出端口的等效衰減系數(shù)。

第二步，改變被測通道的衰減器衰減值，測試相應的噪聲系數(shù)和增益。由于衰減器的變化，將會對輸入的噪聲起到衰減作用，同時其熱耗也會帶來噪聲。因此，這時測得的噪聲系數(shù)為

(4)

由式(3)和式(4)可以得到

(5)

(6)

由于

(7)

將式(7)代入式(6)并化簡后得到

(8)

由于T/R通道在衰減器之前一般增益在25 dB以上，所以公式(8)的最后一項一般可以忽略，因此可以得到第j個通道的近似噪聲系數(shù)

(9)

3　噪聲系數(shù)測量誤差分析

以上測試過程進行了一些近似，還有在測試時由于衰減器后的噪聲不會隨衰減器的變化而變化，所以不會被測到，因此這些因素會帶來一些誤差。經(jīng)過分析，測試過程主要由3部分的誤差構成，即衰減器改變導致的誤差、多端口網(wǎng)絡的影響和噪聲系數(shù)測量誤差。其中前兩項為已定系統(tǒng)誤差，由于較小，把其當作未定系統(tǒng)誤差處理[6]。

3.1衰減器改變導致的誤差

由式(7)可以得到，由于衰減器衰減值不為0時，其自身會產(chǎn)生噪聲，但是在計算時并沒有計算該噪聲值，使得測試的噪聲系數(shù)比實際噪聲系數(shù)小1/Gj,LNA，一般增益設計為25 dB左右，所以對應有極限誤差為-0.003 dB，由于其分量較小，當成未定系統(tǒng)誤差處理，有

eA,NF=±0.003 dB。

(11)

3.2多端口網(wǎng)絡的影響

在計算時，只能計算衰減器前的噪聲，衰減器后的噪聲由于不隨衰減器的變化而變化，在計算時被當成了其他通道的噪聲，一并抵消，所以該項也會帶來一定的噪聲。由于網(wǎng)絡的熱耗一般控制在1 dB左右，在Gj,LNA=25 dB時，NF=2 dB的前級放大器的情況下，級聯(lián)后，考慮網(wǎng)絡的損耗和不考慮網(wǎng)絡的損耗噪聲系數(shù)分別為2.002 dB和2 dB，因此誤差為-0.002 dB。由于其分量較小，當成未定系統(tǒng)誤差處理，有

eC,NF=±0.002 dB。

(12)

3.3NF和噪聲系數(shù)測量誤差

由測試公式(9)，當測試儀器采用Y因子法進行噪聲系數(shù)測量時，增益和噪聲的測量可以認為不相關。兩次增益測試和噪聲測試也按照不相關進行處理，該項誤差作為隨機誤差處理，可以得到各個參數(shù)測試誤差導致的NF測試總誤差為

(12)

其中：

(13)

(14)

(15)

(16)

δlimNFj,1、δlimNFj,2、δlimGj,1、δlimGj,2分別為兩次測試的噪聲系數(shù)和增益的極限誤差。按照目前商用一般的噪聲分析儀測試精度指標±0.05 dB，矢量網(wǎng)絡分析儀幅度測試精度±0.02 dB水平，以一個典型的T/R測試結果分析得到噪聲系數(shù)測試精度為±0.09 dB。

3.4總誤差

按照誤差合成理論，總誤差為未定系統(tǒng)誤差與隨機誤差的方均根，即

(17)

根據(jù)以上分析可以看出，該測試方法可以得到較高精度的測試結果，滿足工程應用需要。

4　實驗驗證

為了驗證本測試方法的正確性，進行了一次驗證實驗。采用T/R和功分網(wǎng)絡可以分開的器件，將其組裝在一起進行了上面兩步實驗，得到單獨通道的噪聲系數(shù)，然后再單獨測試T/R組件的噪聲系數(shù)。由于功分接不接對T/R的噪聲系數(shù)影響很小，可以將單獨測試的結果作為噪聲系數(shù)的真實值。兩次測試結果進行比較，差異即為測試誤差。單獨通道測試的框圖見圖2。

圖2　單獨通道測試實驗框圖

按照上面3個步驟，對一個由8路T/R和一個功分網(wǎng)絡加一個手動可變衰減器組成的電路進行了多通道合成情況下的單通道噪聲系數(shù)測試和單獨單通道的噪聲系數(shù)測試，并將兩種情況下的測試結果進行了對比。共測試了8個通道，每個通道測試13個頻率點。表1給出了其中1個通道的測試數(shù)據(jù)和計算結果，其中行表示不同頻率點的測試值，表1只給出了5個頻率點的測試和處理數(shù)據(jù)。噪聲系數(shù)分析儀器中頻帶寬參數(shù)設置為4 MHz，其他按照儀器默認設置。

表1　TR1 NF測試結果

將8個T/R、13個頻率點共104組結果進行統(tǒng)計，得到標準差為0.03 dB。負向極限誤差為-0.08 dB，正向極限誤差為0.07 dB，正負誤差0.01 dB的差異與分析的系統(tǒng)誤差方向大小一致。以上實驗采用的Agilent 8973噪聲系數(shù)分析儀測試得到，其噪聲系數(shù)精度為±0.05 dB，增益精度為±0.17 dB，分析出來的測量誤差應為±0.5 dB，比測試結果要大，估計是由于測試過程中的增益和噪聲系數(shù)是兩次在不改變?nèi)魏芜B接的情況下的測試，其測試精度會比指標高，所以計算出來的誤差比實際測試出來的誤差大。

5　結　論

本文提出的多端口T/R組件的單通道測試方法，利用衰減器的兩次變化對通道噪聲的影響，組建相應的方程組，可以消除其他通道的噪聲影響，從而得到單獨通道的噪聲系數(shù)。在一個典型的測試應用中，測得的單通道噪聲系數(shù)與參考值比較，最大誤差為±0.08 dB，說明該方法完全可以應用于工程實踐中，實現(xiàn)對多端口T/R的單通道的噪聲系數(shù)的準確測試。由于不同于以前的只能得到等效的多端口網(wǎng)絡的單通道噪聲系數(shù)，本文方法能提供更為準確的測試結果，對高度集成化天線研制中測試單個通道的噪聲性能具有重要意義。目前，該方法已成功應用于多個工程項目，實現(xiàn)了多端口網(wǎng)絡單獨通道噪聲系數(shù)的測試。

[1]LITSCHKE O,SIMON W,HOLZWARTH S. A 30 GHz highly integrated LTCC antenna element for digital beam forming arrays[C]//Proceedings of 2005 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. Washington DC:IEEE,2005:297-300.

[2]ROHRDANTZ B,STARK A,HAWAMDAH E,et al.A circularly polarized antenna array with integrated calibration probes[C]//Proceedings of 2014 Asia-Pacific Microwave Conference(APMC). Sendai,Japan:IEEE,2014:462-464.

[3]郭崇賢. 相控陣雷達接收機技術[M].北京:國防工業(yè)出版社，2009：17-40.

GUO Chongxian. Phased array radar receiver technology[M].Beijing:National Defense Industry Press,2009：17-40.(in Chinese)

[4]於洪標.相控陣雷達中多端口網(wǎng)絡的噪聲特性分析[J].微波學報，2009，25(2)：58-61.

YU Hongbiao.Noise characteristic analysis of multi-port network in phased array radar[J].Journal of Microwaves,2009,25(2):58-61.(in Chinese)

[5]蒙國站,王世輝,陳立翔.多端口網(wǎng)絡噪聲系數(shù)測試方法[J].微波學報,2012,28(4):43-47.

MENG Guozhan,WANG Shihui,CHEN Lixiang.Noise figure measurement of multi-port network[J].Journal of Microwaves,2012,28(4):43-47.(in Chinese)

[6]費業(yè)泰. 誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].合肥:合肥工業(yè)大學出版社，2015：59-81.FEI Yetai.Error theory and data processing[M].Hefei:Hefei University of Technology Press,2015：59-81.(in Chinese)

楊順平(1976—)，男，四川岳池人，1999年于重慶大學獲學士學位，2006年于電子科技大學獲碩士學位，現(xiàn)為高級工程師，主要研究方向為天線校準和天線測量技術；

YANG Shunping was born in Yuechi,Sichuan Province,in 1976. He received the B.S.degree from Chongqing University and the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 1999 and 2006,respectively. He is now a senior engineer. His research concerns antenna measurement and calibration.

Email:blueysp@qq.com

杜艷(1985—)，女，四川綿陽人，2008年于西北工業(yè)大學獲學士學位，2011年于北京航空航天大學獲碩士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為天線校準和天線測量技術；

DU Yan was born in Mianyang,Sichuan Province,in 1985. She received the B.S.degree from Northwestern Polytechnical University and the M.S.degree from Beihang University in 2008 and 2011,respectively. She is now an engineer. Her research concerns antenna measurement and calibration.

Email:bella_1021_yi@sina.com

周太富(1987—)，男，四川崇州人，2009年于電子科技大學獲學士學位，2012年于電子科技大學獲碩士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為微波毫米波電路和相控陣收發(fā)組件。

ZHOU Taifu was born in Chongzhou,Sichuan Province,in 1987.He received the B.S.degree and the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2009 and 2012,respectively. He is now an engineer.His research concerns microwave and mimimeter wave circuit,T/R modules for phased array.

Email:taifuzhou@163.com

A Single-channel Noise Figure Measurement Method for Multi-port T/R Modules

YANG Shunping，DU Yan，ZHOU Taifu

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Because multi-port T/R module output noise is composed of all noise of the channels,it′s very difficult to measure one channel′s noise figure independently.A noise figure measurement method for multi-port T/R modules is put forward．To cancel the noise of other channels,the under-test channel′s attenuation is changed twice and noise figure is measured each time.An 8-channel T/R module is tested,and there is only 0.08 dB difference between two methods. The results are compared with the reference test data to demonstrate the correctness and reliability of the method.

phased array;T/R module；multi-port；single-channel noise figure measurement

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.10.019

2016-04-27；

2016-06-28Received date:2016-04-27；Revised date：2016-06-28

TN821.8

A

1001-893X(2016)10-1170-04

引用格式：楊順平，杜艷，周太富.多端口T/R組件的單通道噪聲系數(shù)測試方法[J].電訊技術，2016,56(10):1170-1173.[YANG Shunping，DU Yan，ZHOU Taifu.A single-channel noise figure measurement method for multi-port T/R modules[J].Telecommunication Engineering,2016,56(10):1170-1173.]

**通信作者：blueysp@qq.comCorresponding author：blueysp@qq.com