高超噪比微波固態(tài)噪聲源的設(shè)計本科畢業(yè)論文

1、分類號：分類號：tn850.8 u d c：d10621-408-（2011）0759- 0 密密 級：公級：公 開開 編編 號：號：2007022078 成成 都都 信信 息息 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 學(xué)學(xué) 位位 論論 文文 高超噪比微波固態(tài)噪聲源的設(shè)計高超噪比微波固態(tài)噪聲源的設(shè)計 論文作者姓名：論文作者姓名： 申請學(xué)位專業(yè)：申請學(xué)位專業(yè)：電子信息電子信息科學(xué)與技術(shù)科學(xué)與技術(shù) 申請學(xué)位類別：申請學(xué)位類別：工學(xué)學(xué)士工學(xué)學(xué)士 指指導(dǎo)導(dǎo)教教師師姓姓名名（職職稱稱） ： 論文提交日期：論文提交日期： 獨(dú) 創(chuàng) 性 聲 明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作 及取得的研究成果。據(jù)我

2、所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方 外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為 獲得成都信息工程學(xué)院或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確 的說明并表示謝意。 簽名： 日期： 2011 年 6 月 12 日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學(xué)位論文作者完全了解成都信息工程學(xué)院有關(guān)保留、使用學(xué)位 論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和 磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)成都信息工程學(xué)院可以將學(xué) 位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、 縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論

3、文。 （保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定） 簽名： 日期： 2011 年 6 月 12 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） ，是我個人在指導(dǎo)教 師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加 以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研 究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷 而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體， 均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說

4、明使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論 文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電 子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供 目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制 手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠?或全部內(nèi)容。 作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研 究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文 不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研 究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，

5、均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完 全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位 論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮 印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 作者簽名：日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 高超噪比微波固態(tài)噪聲源的設(shè)計高超噪比微波固態(tài)噪聲源的設(shè)計 摘摘 要要 固態(tài)噪聲二極管的雪

6、崩散彈噪聲在一定條件下近似為白噪聲。根據(jù)固態(tài)噪聲 二極管在雪崩擊穿狀態(tài)的等效電路, 設(shè)計出與之匹配的電路結(jié)構(gòu), 以實(shí)現(xiàn)超噪比 的最大輸出。在 4 6 ghz, 超噪比大于 20 db 本文主要研究了噪聲的特性，噪聲的種類，二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)以及噪聲 系數(shù)和噪聲參數(shù)的測量技術(shù)。通過對噪聲的全方位分析進(jìn)一步加深對噪聲源的認(rèn) 識。同時概括了部分噪聲測量技術(shù)。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞: 固態(tài)噪聲源; 超噪比; 噪聲二極管 design of microwave solid- state noise source with high exceed noise ratio abstract in certain

7、condition s, avalanche shot noise originated from solid-state noise diode is similar to white noise. for maximum exceed noise ratio generated, circuit structure to match the equivalent circuit diagram of the solid-state noise diode in avalanche breakdown state has been designed. the so lid2state noi

8、se source exhibit s frequency range 4 6 ghz, exceed noise ratio higher than 20 db this paper studies the characteristics of the noise, noise type, two-port network of the noise factor and noise figure and noise parameters of the measurement techniques. through comprehensive analysis of the noise to

9、further deepen the understanding of noise sources. also summarizes some of the microwave radio frequency measurement techniques. key words: sol id- state noise source; exceed noise ratio; noise diode 目目 錄錄 1 引言 .1 1.1背景和意義 .1 1.2固態(tài)源的簡介和發(fā)展 .1 1.3工作任務(wù)和指標(biāo) .2 2 微波射頻噪聲測量技術(shù) .2 2.1噪聲的特性 .2 2.2噪聲的種類 .3 2.2.

10、1熱噪聲.3 2.2.2散彈噪聲.5 2.2.3高頻噪聲.6 2.2.4閃爍噪聲.6 2.2.5等效噪聲帶寬.7 2.3二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù) .8 2.3.1噪聲系數(shù)的定義.8 2.3.2等效噪聲溫度.9 2.4噪聲系數(shù)的測量技術(shù) .10 2.4.1噪聲源.10 2.4.2y 因子方法 .12 3 固態(tài)噪聲源的測試 .13 3.1電路設(shè)計 .13 3.2測量方法及過程 .15 3.3實(shí)物圖 .16 3.4誤差分析 .17 參考文獻(xiàn) .19 致 謝 .20 附 錄 .21 1 引言 1.1 背景和意義 20世紀(jì)90年代微波固態(tài)噪聲源應(yīng)運(yùn)而生，它能滿足一定的功率輸出要求,有很 好的駐波特性和頻響特

11、性,微波測量精度高,體積小,成本低,可靠性高,特別是在各種 微波參數(shù)的測試,作為輻射計的比對標(biāo)準(zhǔn)以及各類整機(jī)系統(tǒng)的自動監(jiān)測等方面具有 廣泛的應(yīng)用前景。同氣體放電管噪聲源相比,固態(tài)噪聲源具有頻帶寬、開關(guān)迅速、 接通后立即進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)、無損害性脈沖泄漏、可脈沖調(diào)制工作、噪聲輸出 可變、功耗低、體積小、重量輕、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在遙感、噪聲測量、 雷達(dá)整機(jī)性能的自動監(jiān)測獲得了廣泛的應(yīng)用。 1.2 固態(tài)源的簡介和發(fā)展 微波通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等技術(shù)的迅速發(fā)展對低噪聲器件的要求越來越迫切， 為檢測器件的性能和度量通信等設(shè)備接收微弱信號的能力，需要測量器件與設(shè)備 的噪聲特性，尤其是軍用電子元器件和軍

12、用整機(jī)的測試，這使得噪聲系數(shù)的測試 與計量變得極為重要。在進(jìn)行噪聲測量時，通用方法主要有正弦波法和噪聲發(fā)生 器法，這兩種方法各有一定的應(yīng)用范圍和一定的限制，正弦波法在低頻時比較適 用，而噪聲發(fā)生器法在高頻時比較適用。在八毫米波段進(jìn)行噪聲測量，由于測試 頻率比較高，所以采用噪聲發(fā)生器法。在測量線性二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)時，使 用噪聲發(fā)生器法有如下優(yōu)點(diǎn):(1)噪聲發(fā)生器的輸出電平很小，能直接給出待測網(wǎng) 絡(luò)所需要的電平，又不需要采取更為嚴(yán)密的屏蔽措施。(2)噪聲發(fā)生器輸出的噪聲 功率譜密度與待測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲的反應(yīng)相同，可以方便地使用任意型指示器。(3) 不必測量帶寬，免除了因測量通頻帶和頻響特性引起的

13、測量誤差。(4)噪聲發(fā)生器 的噪聲功率可以方便地進(jìn)行計算，因此在微波毫米波噪聲特性測試中，噪聲發(fā)生 器法是一種較好的方法噪聲 源 是 噪 聲 發(fā)生器法的核心。對噪聲源的要求， 應(yīng)在規(guī)定的帶寬內(nèi)有均勻的功率譜密度和一定的輸出噪聲功率。常用的噪聲源有 飽和二極管，氣體放電管，固態(tài)噪聲二極管和電阻等，飽和二極管噪聲源通常用 于米波和分米波段，飽和二極管由熱陰極和陽極組成。當(dāng)電壓較低時，從熱陰極 發(fā)射的電子，因獲取能量小而在陰陽極之間行成空間電荷，限制電子發(fā)射，當(dāng)陽 極電壓增加到一定值后，空間電荷消失，形成飽和區(qū)。飽和區(qū)的二極管電流與陰 極的溫度有關(guān)，溫度越高電流越大，當(dāng)陰極溫度一定時，電流恒定時，但

14、單位時 間發(fā)射的電子數(shù)目卻在平均值上下隨機(jī)起伏，稱為散彈效應(yīng) 。 自從 1966 年到 1969 年，雪崩二極管第一次被用做微波噪聲源，就因其具有 極寬覆蓋頻率范圍，體積小，重鼓輕，功耗低，噪聲功率輸出人等特點(diǎn)而逐漸取 代飽和二極管噪聲源，氣體放電二極管噪聲源，廣泛應(yīng)用于微波噪聲測量中。 1976 年第一篇關(guān)于毫米波雪崩二極管噪聲源的論文發(fā)表，這是因態(tài)器件應(yīng)用于 毫米波噪聲源的里程碑，在此之前雪崩二極管只被女裝在同軸線上或帶狀線仁工 作在厘米波段，在那篇論文中，一種新型的安裝雪崩二極管波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被報道，自 此以后，經(jīng)過許多實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)存的雪崩二極管理論被擴(kuò)展到更高的毫米波段。目前 國外固態(tài)噪聲源己有

15、八毫米到三毫米波段的產(chǎn)品，主要采用雪崩二極管安裝于波 導(dǎo)中的形式，產(chǎn)品的主要代表是 noise/com 公司。 1.3 工作任務(wù)和指標(biāo) 使用噪聲二極管，設(shè)計一個 c 波段的微波噪聲信號源，要求噪聲源的 enr20db 2 微波射頻噪聲測量技術(shù) 2.1 噪聲的特性 自然界存在的隨機(jī)過程導(dǎo)致了噪聲的產(chǎn)生，這些隨即過程有幾種重要類型， 每種類型對應(yīng)一種噪聲，隨機(jī)過程的主要類型有： 1）半導(dǎo)體器件中的原子、電子和分子在絕對溫度 0 k 以上的熱運(yùn)動。 2）導(dǎo)線或器件中電荷的漂移運(yùn)動。 3）電荷在物體表面的發(fā)射運(yùn)動。 4）大氣或其它氣體中的傳播。 在微波射頻電路中的噪聲是指任何不希望的電擾動和毛刺信號，

16、這些不希望 的信號本質(zhì)上是隨機(jī)的，他們是電子器件本征特性或外部環(huán)境的電磁輻射所引起 的。 由于噪聲在時間上表現(xiàn)為隨機(jī)且不相關(guān)的特點(diǎn)，因此最適合用統(tǒng)計的方法進(jìn) 行分析，根據(jù)統(tǒng)計分析可以發(fā)現(xiàn)噪聲有如下特點(diǎn)： 1）噪聲電壓（或者電流）幅度的均值為 0 2）噪聲電壓的均放值為常數(shù) 2.2 噪聲的種類 目前在電路設(shè)計中用到的噪聲主要分為以下兩大類： 1）和頻率無關(guān)的噪聲：如熱噪聲和散彈噪聲 2）和頻率相關(guān)的噪聲：如低頻噪聲和高頻噪聲 下面分別敘述上述噪聲的定義 2.2.1 熱噪聲 又稱白噪聲。是由導(dǎo)體中電子的熱震動引起的，它存在于所有電子器件 41 和傳輸介質(zhì)中。它是溫度變化的結(jié)果，但不受頻率變化的影響

17、。熱噪聲是在所有 頻譜中以相同的形態(tài)分布，它是不能夠消除的，由此對通信系統(tǒng)性能構(gòu)成了上限。 或稱約翰遜噪聲（johnson noise） 。噪聲的一種。當(dāng)光電倍增管施加負(fù)高壓， 而無光投射光電陰極時，由于光電極極與倍增極的電子熱發(fā)射和玻璃外殼與管座 的漏電，導(dǎo)致熱電子由倍增極放大，所引起的暗電流的波動。在記錄儀器上則出 現(xiàn)噪聲。 熱噪聲是指處于一定熱力學(xué)狀態(tài) f 的導(dǎo)體中所出現(xiàn)的無規(guī)律電漲落，它是由 導(dǎo)體中自由電子的無規(guī)律熱運(yùn)動引起的，其大小取決于物體的熱力學(xué)狀態(tài)。如電 阻、氣體放電管、都會產(chǎn)生熱噪聲。熱噪聲電壓的平均值為零，故通常不用平均 電壓而用均方電壓、均方電流或功率來描述熱噪聲的大小。

18、nyquist 在熱力學(xué)統(tǒng)計 理論的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出電阻熱噪聲電壓均方值的表達(dá)式為 =4ktrb （2-1） 2 n u 式中:k 為玻爾茲曼常數(shù)、t 為電阻溫度k), r 為電阻值（歐） ，b 為測試設(shè)備的 帶寬(hz)，由等效電壓源原理可知，當(dāng)接入溫度為 t 電阻為 r 的負(fù)載時在帶寬 b 內(nèi)產(chǎn)生的資用噪聲功率 n (2-2)ktbr r un 2 2 )2( 從(2-2)式可以看出，資用熱噪聲功率是溫度 t 的普適函數(shù)。需要說明的是當(dāng) 在極高的頻率和極低的溫度下時，由于量子效應(yīng)，公式(2.1.2)將有一定的 近似性，這時需要運(yùn)用由量子理論導(dǎo)出的 nyquist 定理完全表達(dá)式。應(yīng)該強(qiáng)調(diào) 指出

19、 nyquist 公式應(yīng)滿足電阻處于 t 的熱平衡狀態(tài)這一條件。 由 (2-2 )式 可得到資用熱噪聲功率的譜密度為 （2-3）)/(hzwktwn 上式表明，電阻輸出的單位帶寬資用噪聲功率只一與熱力學(xué)溫度k)成正比，與 電阻的類型和阻值無關(guān)(與電阻的端電壓及通過的電流無關(guān))。 電阻是電路中最主要的熱噪聲源。 在高于絕對 0（-273或 ok）的任何溫度下，物質(zhì)中的電子都在持續(xù)地?zé)?運(yùn)動。由于其運(yùn)動方向是隨機(jī)的，任何短時電流都不相關(guān)，因此沒有可檢測到的 電流。但是連續(xù)的隨機(jī)運(yùn)動序列可以導(dǎo)致 johnson 噪聲或熱噪聲。電阻熱噪聲的 幅度和其阻值有下列關(guān)系； (2-4)trbkv bn 4 2

20、 式中，vn 是噪聲電壓，以 v 為單位；kb 是玻爾茲曼常數(shù)，1.3810(-23)j/k；t 是溫度，以 k 為單位；r 是電阻，以 為單位；b 是帶寬，以 hz 為單位。 在室溫下，可簡化為下面的表達(dá)式： (2-5)rv4 噪聲 圖 2-1 所示為電阻在 25時，在 50 終端電阻上產(chǎn)生的熱噪聲功率。 圖 2-1 噪聲功率與溫度關(guān)系圖 雖然該噪聲電壓和功率很低，如果該電阻在一個高增益的有源濾波器中，噪 聲可能會很明顯。噪聲與溫度和電阻值平方根成正比。 帶寬越寬，總功率越大，因此即使 dbmhz 的功率幅度看上去很小，但給定 帶寬內(nèi)的總功率也會很高。如果把 v 噪聲使用 v2 噪聲r 終端

21、轉(zhuǎn)換成功率，其中 r 終端是噪聲終端電阻，然后乘以以 hz 為單位的總帶寬，則所得的整個帶寬上的 總噪聲功率對低噪聲應(yīng)用可能是不可接受的。 熱噪聲是在電阻一類導(dǎo)體中，自由電子的布朗運(yùn)動引起的噪聲。導(dǎo)體中的每 一個自由電子由于其熱能而運(yùn)動。電子運(yùn)動的途徑，由于和其他粒子碰撞，是隨 機(jī)的和曲折的，即呈現(xiàn)布朗運(yùn)動。所有電子運(yùn)動的總結(jié)果形成通過導(dǎo)體的電流。 電流的方向是隨機(jī)的，因而平均值為零。然而，電子的這種隨機(jī)運(yùn)動還會產(chǎn)生一 個交流電流成分。這個交流成分稱為熱噪聲。 2.2.2 散彈噪聲 散彈噪聲又稱 schottky 噪聲，是由固態(tài)器件中穿越半導(dǎo)體結(jié)或者其他不連續(xù) 界面的離散隨機(jī)電荷載流子運(yùn)動引起

22、的。散彈噪聲通常發(fā)生在半導(dǎo)體器件中（即 二極管或者晶體管的 pn 結(jié)） ，總是伴隨著穩(wěn)態(tài)電流，實(shí)際上穩(wěn)態(tài)電流包含著一個 很大的隨機(jī)起伏，這個起伏就是散彈噪聲，其幅度和電流的平方根成正比： （2-6）fqiin 2 2 式中，i 為穩(wěn)態(tài)電流；q 為電子電荷。 對于雙極晶體管 bjt 來說，通常認(rèn)為和為獨(dú)立的噪聲源；而對于異質(zhì)結(jié) 2 b i 2 c i 雙極型晶體管 hbt 來說，散彈噪聲和為相關(guān)噪聲源，其相關(guān)表達(dá)式為： 2 b i 2 c i （2-7） feqiii j ccb ) 1(2 式中，t 為和異質(zhì)結(jié)晶體管 hbt 電流放大倍數(shù)相關(guān)的時間延遲。 2.2.3 高頻噪聲 與熱噪聲和散彈噪

23、聲相比，高頻噪聲是指和頻率相關(guān)而不是與電流相關(guān)的噪 聲，通常與電容伴隨出現(xiàn)，如場效應(yīng)管中的柵極感應(yīng)噪聲等。 在場效應(yīng)晶體管的噪聲等效電路模型中， ,和分別為柵極-源極、 gs c gd c ds c 柵極-漏極和源極-漏極本征電容，ri 為本征溝道電阻，和分別為跨導(dǎo)和漏 m g ds g 極輸出電容，t 為和跨導(dǎo)相關(guān)的時間延遲，為柵極感應(yīng)噪聲，表達(dá)式為： 2 g i =4kt （2-8） 2 g if g rc m gs )( 2 為漏極溝道噪聲，表達(dá)式為 2 d i （2-9）fpktgi md 4 2 為柵極漏電流引起的散彈噪聲，表達(dá)式為 2 gl i （2-10） glgl qii2 2

24、 從（2-5）看出，與散彈噪聲不同，柵極感應(yīng)噪聲和頻率的平方成正比，頻 率越高，噪聲電流越大，對器件噪聲的貢獻(xiàn)也越大。 2.2.4 閃爍噪聲 閃爍噪聲有稱低頻噪聲，是半導(dǎo)體器件低頻情況下的重要噪聲之一，對微薄 射頻振蕩器和混頻器具有重要影響。一般認(rèn)為閃爍噪聲由以下兩方面引起的電流 微小變化所產(chǎn)生：1）載流子在半導(dǎo)體器件材料界面上的無規(guī)律入射及復(fù)合過程； 2）電荷在陰極發(fā)射時的隨機(jī)變化。 閃爍噪聲幾乎在所有器件中均可以發(fā)現(xiàn)，一些無源器件中也可以看到。在雙 極晶體管中閃爍噪聲主要在發(fā)射極-基極耗盡區(qū)域由污染引起的陷阱和晶格缺陷所 致。 閃爍噪聲與頻率有關(guān)，頻率越低，閃爍噪聲對信號失真的影響越大，通

25、常閃 爍噪聲在 dc 至 500khz-10mhz 的頻率范圍內(nèi)以-10db 沒倍速的速度衰減。 閃爍噪聲電流的具體表達(dá)式為 （2-11）f f i ki f ff 2 /1 式中，為閃爍噪聲電流；和為擬和因子；i 為穩(wěn)態(tài)電流。 2 /1 f i f k f 從上式可以看出，的對數(shù)和頻率的對數(shù)為線性關(guān)系 2 /1 f i （2-12）)lg(10)lg(10lg(20 )/1 ffiki f ff 2.2.5 等效噪聲帶寬 白噪聲 n(t)的頻率密度在所有頻率范圍內(nèi)都是平坦的，其頻譜密度為一個常 數(shù)，令 （2-13） 2 )( fgn 式中，為常數(shù)，系數(shù) 1/2 是指功率一半與正頻率相關(guān)，另一

26、半與負(fù)頻率相關(guān)。 如將白噪聲加在傳輸函數(shù) h（f）的線性系統(tǒng)的輸入端，則輸出噪聲頻譜密度 為)( 0 fg （2-14） 22 0 )( 2 )()()(fhfgfhfg n 則輸出噪聲功率為 （2-15）dffhdffgnout 2 00 )()( 假設(shè)相同的噪聲來自帶寬為 b、零頻率響應(yīng)為 h（0）的理想低通濾波器，則 有 （2-16）bhdffhnout 22 0 )0()( 式中，h（0）為傳輸函數(shù)在中心頻率處的數(shù)值，由式（2-15）和式（2-16）即可 得到等效帶寬的表達(dá)式： （2-17）dffh h b 2 02 )( )0( 1 2.3 二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù) 接收系統(tǒng)輸出端的信噪

27、比是通信系統(tǒng)中的一個非常重要的指標(biāo)，輸出端的信 噪比取決于系統(tǒng)輸入信噪比與噪聲系數(shù)。在通信系統(tǒng)中輸入信噪比是發(fā)射功率、 發(fā)射機(jī)天線增益、大氣傳輸系數(shù)、大氣溫度、接收天線增益與接收機(jī)噪聲系數(shù)的 函數(shù)，降低接收機(jī)噪聲系數(shù)與改善其他指標(biāo)對于輸出信噪比有同樣的效果，這與 將發(fā)射機(jī)功率加倍的效果幾乎是一樣的，而將發(fā)射機(jī)功率加倍所需的費(fèi)用與改善 低噪聲放大器的成本相比要高許多。 表征一個二端口網(wǎng)絡(luò)的物理特性，除了反射系數(shù)、增益等參數(shù)外，還需要網(wǎng) 絡(luò)的噪聲特性。表征二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲特性的參數(shù)通常有兩個:一是噪聲因子 f， 另外一個是噪聲系數(shù) nf。兩者之間的關(guān)系為 nf=10lgf （2-18） 從上述公式

28、可以看到，噪聲系數(shù) nf 為噪聲因子 f 的對數(shù)，單位為 db,而噪 聲因子 f 沒有單位。 2.3.1 噪聲系數(shù)的定義 20 世紀(jì) 40 年代，harold friis 首次用網(wǎng)絡(luò)的輸入信噪比和輸出信噪比定義了 噪聲系數(shù)這個概念，具體表達(dá)式為 (2-19) 00/ / ns ns snr snr f ii out in 式中，snrin 和 snrout 分別為輸入和輸出端口的信噪比;si 和 ni 分別為輸入信 號和噪聲功率；s0 和 n0 分別為輸出信號和噪聲功率。 從式（2-16）可以看到，噪聲系數(shù)的物理含義是信號從網(wǎng)絡(luò)的輸入端傳輸?shù)?輸出端時信噪比下降的數(shù)值，顯然一個理想的無噪聲放大

29、器在放大了輸入信號的 同時也放大了輸入的噪聲，因此系統(tǒng)的信噪比（db）保持不變，亦即 (2-20)(01db snr snr f out in 然而，實(shí)際的放大器內(nèi)部器件存在著各種噪聲，如熱噪聲、散彈噪聲、低頻 噪聲等等，這些都會引起系統(tǒng)輸出信噪比的惡化，噪聲系數(shù)的高低意味著由網(wǎng)絡(luò) 本身引起的噪聲的大小。值得注意的是，噪聲系數(shù)的概念只適用于處理信號的網(wǎng) 絡(luò)。本章討論的噪聲系數(shù)都是基于二端口網(wǎng)絡(luò)的，盡管混頻器是三端口網(wǎng)絡(luò)，但 通常也作為二端口網(wǎng)絡(luò)來處理。 噪聲系數(shù)與調(diào)制解調(diào)無關(guān)，與調(diào)制方式無關(guān)，與調(diào)制解調(diào)器的性能熬也無關(guān)。 因此，用來表征（fm）接收機(jī)靈敏度的靜噪抑制或數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率 （b

30、er）相比，噪聲系數(shù)更具普遍性。噪聲系數(shù)與增益無關(guān)，夾雜在信號中的噪 聲經(jīng)過放大器后，將和信號同時被放大相同的倍數(shù)， 2.3.2 等效噪聲溫度 從前面的分析可以知道，電阻引起的熱噪聲功率表達(dá)式非常簡單，為了方便 計算二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)，人們引入了等效噪聲溫度的概念，將網(wǎng)絡(luò)的噪聲功 率用電阻在不同溫度下的熱噪聲功率來表征。對于一個資用功率為 na 的 白噪聲， 可以用一個等效噪聲溫度 te 的電阻來表示，等效噪聲溫度 te 可以由以下計算得 到 （2-21） kb n t a e 值得注意的是，等效噪聲溫度的概念是相對于網(wǎng)絡(luò)輸入端來說的，也就是說， 所有的噪聲功率必須首先等效到網(wǎng)絡(luò)電源端才能獲

31、得等效噪聲溫度。對于有噪聲 二端口網(wǎng)絡(luò)來說，假設(shè)輸入端功率為 0，則總的輸出功率 n0 僅包括二端口網(wǎng)絡(luò) 的噪聲貢獻(xiàn) na，其等效噪聲溫度可以表示為 （2-22） kgb n kgb n kb gn kb n t ai e 00/ 表 2-1 噪聲溫度和噪聲系數(shù)的換算表 噪聲系數(shù) nf/db噪聲因子 f噪聲溫度 te/k 01.000 0.51.1235.4 0.81.2058.7 1.01.2675.1 1.21.3292.3 32.00290 10102610 2010028710 2.4 噪聲系數(shù)的測量技術(shù) 根據(jù)噪聲系數(shù)的定義，有很多種方法可以測量網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)，但是精度最高 而最常用的是

32、 y 因子方法。采用 y 因子方法通常需要一個精確的噪聲源，以產(chǎn) 生所需的高頻噪聲。 2.4.1 噪聲源 顧名思義，噪聲源即產(chǎn)生噪聲的根源，是指能夠獲得高頻噪聲的部件。目前 常用的噪聲源由雪崩二極管和匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成（如圖 2-2） ，其原理是固態(tài)噪聲二極 管的雪崩散彈噪聲在一定條件下近似為白噪聲。利用電路的匹配技術(shù), 并對影響 噪聲管超噪比的因素從結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行有效控制, 可研制出高超噪比輸出, 平坦度 滿足要求的固噪聲源。根據(jù) h ines 的理論, 當(dāng)負(fù)載為純電阻 r l 時, 處于雪崩擊 穿狀態(tài)的噪聲極管傳輸?shù)截?fù)載的功率譜密度為: （2-23） 2 2 2 2 2 )( )1 ( 1 )(

33、lspsc l a b n rrr r i v aw 式中,，v b 為擊穿電壓, i 為雪崩電流, x 為角頻率, xa 為雪崩 2 2 2 2 2 3 x th m qk a 頻率, rsc 為擊穿狀態(tài)空間電荷區(qū)電阻, rsp 為串聯(lián)電阻, q 為電子電荷, k =v a/vb ,v a 為雪崩區(qū)兩端的電壓,m 為電離系數(shù)與電場冪關(guān)系中的指數(shù), sh 為載流子以飽 和漂移速度通過空間電荷層的渡越時間, sx 為雪崩區(qū)內(nèi)一個載流子發(fā)生兩次電離 之間的平均時間。當(dāng)時, 功率譜密度與頻率無關(guān), 近似為白噪聲。 5 a 這是一種較為理想的噪聲來源。白噪聲被定義為各種源產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲信號, 在直到紫

34、外區(qū)的很寬的頻率范圍內(nèi), 都有均勻的功率分布, 超過此頻率, 則按量子 理論預(yù)測的規(guī)律衰減。白噪聲平均功率無窮大, 物理上無法實(shí)現(xiàn), 實(shí)際研究的是 白噪聲通過限制帶寬的濾波器輸出的噪聲, 稱之為限帶噪聲或有色噪聲。 在實(shí)際的噪聲計量和測試中, 噪聲量值用超噪比(en r ) 來表示, 單位為 db。 enr(db)=10lg10() (2-24) 0 t tt ch 式中 t 為直流偏置為較大正向偏置時獲得的等效輸入噪聲溫度，t 為直流偏置 h c 為 0 或負(fù)偏置時獲得的等效輸入噪聲溫度。一般情況下 tc=t0=290k。 6 這樣等效輸入噪聲溫度 th 可以由 enr 獲得，有 (2-25

35、) ) 110( 10/ 0 enr h tt 表 2-2 給出了常用噪聲源 hp346c 的 enr 隨頻率變化的數(shù)據(jù)。從表中可以看出， 隨著頻率的上升 enr 基本上呈上升趨勢，隨著頻率的增加（0.1-26.5ghz）等效 輸入噪聲溫度變化了大約 5000k。 表 2-2 噪聲源 hp346c 的 enr 隨頻率變化 頻率/ghzenr/dbth/k頻率enr/dbth/k 0.0113.81726314.015.179827 0.1013.61694915.015.149761 1.013.50678216.014.989418 2.013.37659117.014.849129 3.0

36、13.38660518.014.778988 4.013.49676719.014.768968 5.013.58693020.014.959356 6.013.74715121.015.169805 7.013.95749122.015.6010819 8.014.25800623.015.9711756 9.014.56857724.016.3012611 10.014.79902825.016.3412775 11.014.95935626.016.0712023 12.015.07961026.515.6811015 13.015.149761 2.4.2 y 因子方法 通過噪聲源在兩

37、個不同等效輸入溫度情況下被測網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率來確定 低噪聲電路的噪聲系數(shù)的方法被稱為 y 因子方法。 假設(shè) nh 和 nc 分別為高溫和低溫情況下網(wǎng)絡(luò)噪聲輸出功率，有 （2-26）)( ehh ttkbgn （2-27）)( ecc ttkbgn 這里的 te 為被測網(wǎng)絡(luò)的噪聲溫度。令 y 表示上述兩個噪聲輸出功率的比值： （2-28） ec eh c h tt tt n n y 則噪聲網(wǎng)絡(luò)等效輸入噪聲溫度可以直接獲得，即 （2-29） 1 y ytt t ch e 被測網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)公式為 （2-30） 1 ) 1/() 1/( 00 y ttytt f ch 當(dāng) tct0 時，有 （2-

38、31） 1 y enr f 3 固態(tài)噪聲源的測試 3.1 電路設(shè)計 處于雪崩擊穿狀態(tài)的噪聲二極管等效電路如圖 3-1 所示。圖中,cd 為寄生 7 電容, cp 為管殼電容,l s 為引線電感。根據(jù)噪聲源工作頻率及噪聲輸出平坦度的 要求, 取帶內(nèi)最大插入衰減 l a r= 0. 2 db, 截止頻率 f c= 13 ghz,按等波紋式計算, cd= cp= 0. 3 pf，r sc=50 ,l s= 0. 7 nh。r sp 應(yīng)盡量小, 一般要求小于 2 。 對于特性阻抗為 50的傳輸線, 當(dāng) r sc= rlr sp 時, 傳輸?shù)截?fù)載 r l 的噪聲功 率最大。 圖 3-1 雪崩擊穿狀態(tài)的噪

39、聲二極管等效電路 帶匹配網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)見圖3-2。l1 c1及l(fā)2 c2構(gòu)成兩個低通濾波器,引入直 流偏置。c3為隔直流電容。r為限流電阻,當(dāng)28vdc穩(wěn)定時, 可為固態(tài)噪聲二極管 d提供恒流偏置,使d工作在雪崩擊穿區(qū)。圖中28vdc電源可以沒有參考接地端,滿 足需要懸浮電壓源偏置要求的用戶。這給噪聲管的散熱設(shè)計增加了難度。顯然,這 種結(jié)構(gòu)也適用于帶參考接地端的電壓源偏置。 圖 3-2 帶匹配網(wǎng)絡(luò)的固態(tài)噪聲源電路結(jié)構(gòu) 常用偏置電路，如圖 3-3 圖 3-3 本次設(shè)計所用噪聲源偏置電路結(jié)構(gòu) 本次設(shè)計應(yīng)用的就是不帶匹配網(wǎng)絡(luò)的噪聲源電路，設(shè)計中噪聲二極管用的是 sdcl，其工作頻段為10hz-110

40、hz，工作電壓為7-11v,電流為35ma左右，enr為 25-30db。綜合考慮電路采用微帶結(jié)構(gòu)。 圖 3-4 常用噪聲二極管基本系數(shù) 3.2 測量方法及過程 噪聲源主要用于測量接收機(jī)的噪聲系統(tǒng)，要參數(shù)是超噪比 enr，定義為 enr=l0log（1) (3-1） 0 /ttno 式中,tno 為噪聲源輸出溫度，t0 為環(huán)境溫度，通常取 t0=290k，常用的標(biāo) 準(zhǔn)固態(tài)源的 enr=15db,等效噪聲溫度為 9460k 調(diào)制脈沖寬度,調(diào)制頻率為，輻射計接收機(jī)的積分時間，射頻調(diào) t m f t100 制的開關(guān)的正向插入損耗為 ls，反向損耗為 lb。在系統(tǒng)完全匹配的條件下，當(dāng) 射頻開關(guān)導(dǎo)通時，

41、輻射計接收機(jī)輸入端噪聲溫度為 (3-2) 0 )/11 (/tlltt ssnoron 當(dāng)射頻開關(guān)關(guān)閉時，輻射計接收機(jī)輸入端的噪聲溫度為 (3-3) 0 )/11 (/tlltt bbnoroff 經(jīng)脈沖調(diào)制后，輻射計接收機(jī)輸入端的等效噪聲溫度為 （3-4） roffronroff ttt 即 (3-5) 00 )1)(/11 (/)1 ()/11 (/ttfllttfttfllttft mbbnommssnomr 選取 南 京 五十五所研制的射頻開關(guān)，其正向插入損耗 ls 40 db，響應(yīng)時間小于 4 um。脈沖調(diào)制波形如圖 3-4 圖 3-5 射頻開關(guān)調(diào)制信號圖 圖 3-5 中 ，為射頻開

42、關(guān)由關(guān)閉到導(dǎo)通轉(zhuǎn)換時的過渡時間，為射頻開關(guān) r t d t 由導(dǎo)通到關(guān)閉轉(zhuǎn)換時的過渡時間，為射頻開關(guān)工作在完全導(dǎo)通狀態(tài)的時間， onw t 并且有，調(diào)制周期。 dr tt bdoff ttt moffonm ftt/1 在輻射測量模態(tài)接收機(jī)中，選用了超噪比為 3 db 的固態(tài)噪聲源，噪聲溫度 868 k。 假設(shè)微波輻射計接收機(jī)定標(biāo)方程為 t=a+b v (3-6) 當(dāng)輻射計接收機(jī)接入固態(tài)噪聲源時，記錄輻射計輸出，利用上式，可得出噪 聲溫度，利用式(3-5)可得噪聲源的超噪比。 利用脈沖調(diào)制式固態(tài)噪聲源獲取穩(wěn)定基準(zhǔn)源的方法與恒溫匹配負(fù)載的方法比較，具有功 耗低，體積小的優(yōu)點(diǎn)適用于星載微波輻射計系

43、統(tǒng)。并且通過改變調(diào)制頻率能夠得到不同的等 效噪聲溫度，能夠?qū)邮諜C(jī)進(jìn)行定標(biāo)，提高整機(jī)的穩(wěn)定性。 8 3.3 實(shí)物圖 實(shí)物圖如圖 3-6 圖 3-6 實(shí)物圖 3.4 誤差分析 因?yàn)樵肼曉摧敵龉β市。S多因素影響噪聲源定標(biāo)的準(zhǔn)確性，影響噪聲源定 標(biāo)的因素主要有以下幾個方面: 連接器上污垢或損壞， 電磁干擾， 測試系統(tǒng)噪聲系數(shù)和增益不連續(xù)性 抖動 雙邊帶測量帶來的誤差 測量系統(tǒng)噪聲系數(shù) 器件之間失配所造成的誤差 只要有少量污垢存在于連接器上或接頭被損壞，都將引起連接器接觸不良， 從而造成外部信號串入測試系統(tǒng)中，影響測試精度，并且只要一只接頭存在污垢， 必將污染與它相接的其他接頭，從而使整個系統(tǒng)的性能

44、下降，因此在測試前，存 在污垢的接頭要進(jìn)行清洗，檢查是否有損壞的接頭，及時進(jìn)行更換。 計算機(jī)，儀器，日光燈，本地廣播站發(fā)出的信號都會對測試產(chǎn)生干擾，這些 干擾可以從沒有螺紋的接頭，未屏蔽的電纜進(jìn)入測試系統(tǒng)。避免電磁干擾可采用 以下措施:在信號通道采用帶螺紋的接頭，波導(dǎo)連接也可采用帶螺紋的屏蔽波 導(dǎo)。使用雙屏蔽電纜。測試儀器及器件本身的屏蔽要做好。if 的選擇 避開通常所用 l0mhz 倍數(shù) if(例如:l0mhz, 20mhz 等)，而以 33mhz, 27mhz 這樣 不常用的 if 替代之 如果測試系統(tǒng)中的器件存在噪聲系數(shù)和增益的不連續(xù)點(diǎn)，在參考噪聲源和被 測噪聲源交替工作時，系統(tǒng)不能很好

45、的調(diào)諧，使之工作在同一頻率點(diǎn)上時，嘆目 有可能造成較大的誤差。避免此誤差措施有:以小步進(jìn)頻率增長，仔細(xì)測試基 波混頻器，系統(tǒng)放大器噪聲系數(shù)和增益，如果響應(yīng)比較平坦則無此誤差。若 存在不連續(xù)點(diǎn)，在基波混頻器前加一只低噪聲，高增益放大器，這樣可減小系統(tǒng) 噪聲系數(shù)對測試影響。由于噪聲的隨機(jī)性，使噪聲測量都有一定的不穩(wěn)定性，即 抖動。抖動量與被測器件和測試系統(tǒng)有關(guān)，抖動可采用多次測量平均的方法使之 產(chǎn)生最小誤差，av3981 噪聲系數(shù)測試儀可采用平均，平滑等手段，使抖動減小 到小于 0.02 db,但這是以犧牲測量速度為代價的。 當(dāng)一個測量系統(tǒng)允許兩個主噪聲帶都被下變頻，它就是一個雙邊帶測量系統(tǒng)， 由

46、于雙邊帶測量允許多于一個頻帶的噪聲被下變頻，則可能在測量中引入誤差。 第一個誤差源是雙邊帶測量中兩個主下變頻噪聲頻帶 f+f，和。由 )(ifif ff )( 于接受機(jī)對在中頻帶寬內(nèi)的輸入信號都進(jìn)行接受，因此所顯示的測試值是兩個下 變頻頻帶的平均值，若噪聲源的輸出電平在此兩個邊帶之間起伏過大，則此平均 值可能遠(yuǎn)離真實(shí)值，造成較大誤差. 測量系統(tǒng)噪聲系數(shù)越低，測量精度越高，因此可在基波混頻器前加一個高增 益低噪聲放大器，從而達(dá)到降低整個測試系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，提高測量精度的目的。 參考文獻(xiàn) 1 john roger calvin plett. radio frequency integrated c

47、ircuit designm.2003 artech house,inc 2 papoulis a.probability, random variables, and stochastic pro-cessesm.new york: mcgraw- hill, 1984 3 sze s m. physics of semiconductor devicesm. 2nded. ,new york: john wiley 5 (2) : 97 107 6 程耀沃. 18 26. 5ghz 固態(tài)噪聲二極管j . 固體電子學(xué)研究與進(jìn)展, 1983; 3 (3) : 26 31 7 顧世惠. 微波固態(tài)

48、噪聲二極管頻率上限和噪聲輸出功率性能的研究j . 電子學(xué)報, 1986; 14 (6) : 73 78 8 戴愛節(jié), 包其倫, 張長明, 等. 微波電路固態(tài)噪聲源測試方法m . 北京: 電子工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn) 化研究所出版社,1997 致 謝 本文是在曹俊友老師的熱情關(guān)心和指導(dǎo)下完成的，他淵博的知識和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹?學(xué)作風(fēng)使我受益匪淺，對順利完成本課題起到了極大的作用。在此向他表示我最 衷心的感謝！ 在論文完成過程中，本人還得到了其他老師和本組同學(xué)的熱心幫助，本人向 他們表示深深的謝意！ 最后向在百忙之中評審本文的各位專家、老師表示衷心的感謝！ 附 錄 圖 1 protel 原理圖 圖 2 pcb 板圖 學(xué)

49、位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作 所取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)特別注明引用的內(nèi)容和致謝的地方外，本 論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做 出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式注明并表示感謝。本人完全意 識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者（本人簽名）： 年 月 日 學(xué)位論文出版授權(quán)書 本人及導(dǎo)師完全同意 中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫出版章程 、 中國優(yōu)秀碩 士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫出版章程 (以下簡稱“章程”)，愿意將本人的學(xué)位論文提交 “中國學(xué)術(shù)期刊（光盤版）電子雜志社 ”在中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 、 中 國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 中全文發(fā)表和以電子、網(wǎng)絡(luò)形式公開出版，并同 意編入c cn nk ki i中國知識資源總庫 ，在中國博碩士學(xué)位論文評價數(shù)據(jù)庫 中使用和 在互聯(lián)網(wǎng)上傳播，同意按 “章程”規(guī)定享受