基于步進(jìn)衰減器法的噪聲系數(shù)分析儀噪聲系數(shù)校準(zhǔn)的一種方法

萬(wàn)一彬 滕玉龍 黃玉琿 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院；上海市在線檢測(cè)與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

噪聲系數(shù)分析儀是以頻譜分析儀為基礎(chǔ)的一種專用噪聲系數(shù)測(cè)試儀器，在無(wú)線通信和雷達(dá)微波中廣泛使用，其噪聲系數(shù)測(cè)量值的準(zhǔn)確與否關(guān)系到微波器件乃至系統(tǒng)的性能指標(biāo)是否達(dá)到其設(shè)計(jì)要求。為此，國(guó)家出臺(tái)了JJF 1460-2014《噪聲系數(shù)分析儀校準(zhǔn)規(guī)范》[1]。該校準(zhǔn)規(guī)范對(duì)統(tǒng)一噪聲系數(shù)分析儀的校準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)噪聲系統(tǒng)測(cè)量值的量值統(tǒng)一起到了很大的作用。規(guī)范中6.4.1的步進(jìn)衰減器法明確提出需配置標(biāo)準(zhǔn)器微波信號(hào)源1臺(tái)、步進(jìn)衰減器1臺(tái)、隔離器2臺(tái)。具體連接見(jiàn)圖1所示。

圖1 步進(jìn)衰減器校準(zhǔn)噪聲系數(shù)連接

具體的技術(shù)指標(biāo)如下：

1）微波信號(hào)源

頻率范圍：0.01 ～ 40 GHz；頻率準(zhǔn)確度：1×10-7；輸出功率范圍：-70～+7 dBm；輸出功率平坦度：±0.1 dB/10 MHz。

2）步進(jìn)衰減器

頻率范圍：0.01～ 40 GHz；最大衰減：≥ 60 dB；衰減步進(jìn)：1 dB；衰減不確定度：0.05 ～ 0.1 dB，k = 2。

3）隔離器

頻率 ：1 GHz；隔離度 ：＞20 dB ；電壓駐波比 ：＜1.2。

經(jīng)過(guò)分析，隔離器主要作用通常是吸收反射回來(lái)的微波信號(hào)，以免燒毀信號(hào)發(fā)生器或者放大器，此技術(shù)指標(biāo)用隔離度來(lái)表示。隔離器的另外一個(gè)作用則是改善放大器或者信號(hào)發(fā)生器輸出端口失配問(wèn)題，利用其隔離信號(hào)的特點(diǎn)，減少駐波系數(shù)較大的器件所引入的反射信號(hào)，降低失配對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

通過(guò)以上分析得知，在JJF 1460—2014中，隔離器的作用主要是降低端口失配對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響。因此，在無(wú)隔離器的微波實(shí)驗(yàn)室中，可以采用在步進(jìn)衰減器兩端增加2臺(tái)固定衰減器，讓器件衰減量大于一定數(shù)值以達(dá)到降低失配的效果。由于隔離器頻帶窄、固定衰減器的頻帶范圍寬，端口的駐波系數(shù)比較好，完全可以采用加固定衰減器以達(dá)到比隔離器更好的效果[2-3]。

1 采用增加固定衰減器后的噪聲系數(shù)的校準(zhǔn)方法及步驟

1.1 校準(zhǔn)連接

校準(zhǔn)連接如圖2所示。

圖2 固定衰減器校準(zhǔn)噪聲系數(shù)的連接

1.2 校準(zhǔn)所用標(biāo)準(zhǔn)器[4-6]

1）矢量信號(hào)源。頻率范圍：250 kHz～ 40 GHz；頻率準(zhǔn)確度：1×10-7；輸出功率：-110～+20 dBm；輸出功率平坦度 ：±0.1 dB/10 MHz。

2）步進(jìn)衰減器。頻率范圍：0～18 GHz；最大衰減：≥ 11 dB ；衰減步進(jìn) ：1 dB。

3）同軸精密固定衰減器。數(shù)量：2個(gè)；頻率范圍：0～18 GHz；衰減量：10 dB，電壓駐波比：≤1.1。

4）網(wǎng)絡(luò)分析儀。頻率范圍 ：9 kHz～ 3 GHz；傳輸系數(shù)幅值測(cè)量最大允許誤差為±0.01 dB。

1.3 校準(zhǔn)方法和操作[7]

1）首先通過(guò)式（1）計(jì)算出步進(jìn)衰減器衰減值改變后的噪聲系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值

式中：E —— 被測(cè)噪聲系數(shù)分析儀的噪聲系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值（NFs），dB ；

C —— 噪聲源超噪比（ENR）設(shè)定值，一般取 15 dB ；

A —— 衰減器衰減量值，dB

2）噪聲系數(shù)的校準(zhǔn)

由于校準(zhǔn)步驟與JJF 1460—2014相同，這里不再贅述，僅給出其計(jì)算公式

式中：P0—— 步進(jìn)衰減器在0 dB檔位，被校噪聲系數(shù)分析儀噪聲功率測(cè)量值，dB；

Pi—— 被校噪聲系數(shù)分析儀噪聲功率測(cè)量值，dB

2 噪聲系數(shù)校準(zhǔn)不確定度評(píng)定[8]

2.1 測(cè)量模型

采取直接測(cè)量法，其中的標(biāo)準(zhǔn)噪聲系數(shù)的測(cè)量模型與式（1）相同

當(dāng)衰減器的衰減值A(chǔ)為1.00 dB，計(jì)算得到c = -4.862

當(dāng)衰減器的衰減值A(chǔ) 為11.00 dB時(shí)，計(jì)算得到c = -1.086

2.2 不確定度分量評(píng)定

1）步進(jìn)衰減器衰減值不準(zhǔn)確引入的不確定度ux1

根據(jù)步進(jìn)衰減器的溯源證書，其在1 GHz頻點(diǎn)，衰減值為 1.00 dB 時(shí)，U = 0.04 dB（k = 2），

則 ux11= 0.02 dB ；

其在1 GHz頻點(diǎn)，衰減值為11.00 dB時(shí)，

U = 0.04 dB（k = 2），則 ux12= 0.02 dB

2）固定衰減器1輸出端與步進(jìn)衰減器輸入端之間失配引入的不確定度分量ux2

用式（5）來(lái)計(jì)算其失配最大誤差

固定衰減器輸出端駐波系數(shù)為1.10，則

步進(jìn)衰減器輸入端駐波系數(shù)為1.10，則

得到

為反正弦分布，因此，k = 2

3）步進(jìn)衰減器的輸出端與固定衰減器2輸入端之間失配引入的不確定度分量ux3

用式（5）來(lái)計(jì)算其失配最大誤差

步進(jìn)衰減器輸出端駐波系數(shù)為1.10，則

固定衰減器輸入端駐波系數(shù)為1.10，則

得到

為反正弦分布，因此，k = 2

4）測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u3

以重復(fù)性測(cè)量條件10次測(cè)量噪聲系數(shù)分析儀在1 GHz頻點(diǎn)處的噪聲系數(shù)，衰減值為1.00 dB時(shí)，用貝塞爾公式計(jì)算得到單次噪聲系數(shù)測(cè)量值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差

s(y) = 0.008 3 dB，即 ux41= 0.008 3 dB

以重復(fù)性測(cè)量條件10次測(cè)量噪聲系數(shù)分析儀在1 GHz頻點(diǎn)處的噪聲系數(shù)，衰減值為11.00 dB時(shí)，用貝塞爾公式計(jì)算得到單次測(cè)量值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差

2.3合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

噪聲系數(shù)測(cè)量不確定度各分量見(jiàn)表3。

表3 噪聲系數(shù)測(cè)量不確定度匯總

各分量互不相關(guān)，得到：

當(dāng)衰減器的衰減值A(chǔ)的值為1.00 dB，計(jì)算得到

當(dāng)衰減器的衰減值A(chǔ) 為11.00 dB時(shí)，計(jì)算得到

2.4 擴(kuò)展不確定度

包含因子取k= 2，擴(kuò)展不確定度：

衰減器的衰減值A(chǔ)的值為1.00 dB，計(jì)算得到

衰減器的衰減值A(chǔ) 為11.00 dB時(shí)，計(jì)算得到

3 校準(zhǔn)結(jié)果比較

相同噪聲系數(shù)分析儀送至中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院進(jìn)行校準(zhǔn)，得到校準(zhǔn)結(jié)果，這里用加衰減器的方法得到校準(zhǔn)結(jié)果，兩個(gè)校準(zhǔn)結(jié)果的比較見(jiàn)表3。選取式（1）噪聲系數(shù)測(cè)量值與式（2）噪聲系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算得到相對(duì)應(yīng)的誤差e：

表3 本實(shí)驗(yàn)室與中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的校準(zhǔn)結(jié)果比較

4 結(jié)語(yǔ)

本文給出了一種在實(shí)驗(yàn)室缺少隔離器時(shí)噪聲系數(shù)分析儀噪聲系數(shù)的校準(zhǔn)方法，經(jīng)與中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的校準(zhǔn)結(jié)果比較，確實(shí)可行。這一實(shí)驗(yàn)給校準(zhǔn)時(shí)實(shí)驗(yàn)室儀器配置提供了新思路，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已有標(biāo)準(zhǔn)器的應(yīng)用提供了新的途徑，也為后續(xù)進(jìn)一步開展噪聲系數(shù)校準(zhǔn)在頻域上的拓展打下了良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。