噪聲溫度并非是每個(gè)天線必測的指標(biāo)，但是對(duì)于諸如衛(wèi)星通信地面站接收天線等大尺寸天線，噪聲溫度尤為重要，因?yàn)檫@決定了整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的等效噪聲溫度，繼而決定了系統(tǒng)的接收靈敏度。對(duì)于這類天線，其噪聲溫度并不是一成不變的，而是隨著天線的俯仰角變化的(天線姿態(tài)不同，接收的背景噪聲不同)，所以測試其噪聲溫度時(shí)，往往是在一定俯仰角時(shí)測定的。

本文介紹了一種測試天線噪聲溫度的新型方法，與傳統(tǒng)測試方法的區(qū)別在于，該方法可以修正儀表本身噪聲系數(shù)對(duì)測試結(jié)果的影響，所以具有更高的精度。

噪聲溫度與噪聲因子是描述同一物理特性的不同參數(shù)，二者是一一對(duì)應(yīng)的，關(guān)系如下：

T=(F-1)?T₀

其中，F(xiàn)為噪聲因子(以對(duì)數(shù)形式表示，一般稱為噪聲系數(shù))，T為等效噪聲溫度，T₀為常數(shù)290K。

對(duì)于兩端口器件噪聲系數(shù)的測試，一般使用Y因子法，該方法利用噪聲源開、關(guān)兩種狀態(tài)時(shí)的噪聲功率，確定Y因子，進(jìn)而計(jì)算出噪聲系數(shù)。天線的噪聲系數(shù)與普通器件的噪聲系數(shù)有何區(qū)別？天線的噪聲溫度如何測試？

與普通兩端口器件不同的是，天線端口輸出的噪聲功率，不僅包含本身引入的噪聲功率，而且包含了所接收的背景輻射噪聲。正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，天線的俯仰角不同，則天線接收的背景噪聲功率不同，那么天線端口輸出的噪聲功率也不同，所以天線的等效噪聲溫度不同。

天線噪聲溫度表征了，在給定環(huán)境和俯仰角時(shí)，天線端口輸出噪聲功率的能力！因此，可以將天線本身當(dāng)作一個(gè)噪聲源，通過引入場放大器大器表示噪聲源打開，取掉場放大器大器表示噪聲源關(guān)閉，于是也可以使用Y因子法測試，這是本文介紹的測試方法的思路。

類似于Y因子法，文中介紹的天線噪溫測試方法也分為兩步：1) 頻譜儀噪聲系數(shù)的校準(zhǔn)；2) 待測天線噪聲溫度的測試。校準(zhǔn)與測試時(shí)，需要使用匹配負(fù)載和場放大器，而且要求精確已知場放大器的增益和噪聲系數(shù)。

(a)引入場放大器等效于噪聲源打開         (b) 去掉場放大器等效于噪聲源關(guān)閉

圖1. 頻譜儀噪聲系數(shù)的校準(zhǔn)

1. 頻譜儀自身噪聲系數(shù)校準(zhǔn)

將匹配負(fù)載和場放大器當(dāng)作噪聲源，引入場放大器時(shí)，相當(dāng)于噪聲源打開；去掉場放大器時(shí)，相當(dāng)于噪聲源關(guān)閉。兩種狀態(tài)時(shí)輸出的噪聲功率之比定義為Y因子，據(jù)此計(jì)算出頻譜儀本身的噪聲系數(shù)，圖1給出了頻譜儀噪聲系數(shù)校準(zhǔn)的連接示意圖。

假設(shè)在室溫下( T₀=290K ) 測試，當(dāng)連接匹配負(fù)載時(shí)，其產(chǎn)生的噪聲功率為kBT₀，則頻譜儀測得的噪聲功率為

N_off=kBT₀?G_SA?F_SA

式中，k為波爾茲曼常數(shù)，B為系統(tǒng)帶寬，G_SA和F_SA分別為頻譜儀的增益和噪聲因子。

當(dāng)引入場放大器時(shí)，頻譜儀測得的噪聲功率為

N_on=kBT₀?G_SA?G_LNA+kBT_LNA?G_SA?G_LNA+kBT_SA?G_SA

兩式相比得

因場放大器的增益和噪聲系數(shù)已知，便可以利用上式求解出頻譜儀的噪聲系數(shù)。

2. 天線噪聲溫度測試

測試思路與上面校準(zhǔn)過程類似，將待測天線與場放大器當(dāng)作噪聲源，其中引入場放大器時(shí)，相當(dāng)于噪聲源打開；去掉場放大器時(shí)，相當(dāng)于噪聲源關(guān)閉，測試連接示意圖如圖2所示。

(a)引入場放大器等效于噪聲源打開       (b) 去掉場放大器等效于噪聲源關(guān)閉

圖2. 天線噪聲溫度的測試

假設(shè)待測天線的噪聲溫度為T_A，場放大器的增益為G_LNA，噪聲因子為F_LNA，則當(dāng)噪聲源“關(guān)閉”時(shí)，頻譜儀測得的噪聲功率為

N_off=kBT_A?G_SA+kBT_SA?G_SA

當(dāng)噪聲源“打開”時(shí)，則滿足

N_on=kBT_A?G_LNA?G_SA+kBT_LNA?G_LNA?G_SA+kBT_SA?G_SA

二者取比值得

頻譜儀本身的噪聲因子已經(jīng)通過上述校準(zhǔn)求得，代入上式，即可求出待測天線的噪聲溫度。

下面通過一個(gè)測試實(shí)例，進(jìn)一步詳細(xì)地描述整個(gè)測試過程。

選擇一個(gè)增益為20dB、噪聲系數(shù)為4.5dB的放大器作為場放大器，頻譜儀自身噪聲系數(shù)的校準(zhǔn)按照?qǐng)D1所給的連接方式，當(dāng)?shù)刃г肼曉搓P(guān)閉和打開時(shí)，頻譜儀測得的噪聲功率如圖3所示，此處僅以1GHz處的天線噪聲溫度測試為例。為防止頻譜儀自身的噪聲系數(shù)太高而影響測試結(jié)果，校準(zhǔn)時(shí)，需要打開頻譜儀的預(yù)放。

根據(jù)上述介紹的內(nèi)容，可以計(jì)算出頻譜儀在1GHz處的等效噪聲溫度約為7.34 T₀，對(duì)應(yīng)的噪聲系數(shù)為9.2dB。

待測天線的噪聲溫度測試按照?qǐng)D2所示的連接方式，圖4給出了噪聲源關(guān)閉和打開時(shí)頻譜儀測得的噪聲功率，最終計(jì)算的天線的噪聲溫度為1.57 T₀.

圖3. 校準(zhǔn)：等效噪聲源關(guān)閉與打開時(shí)的輸出噪聲功率

圖4. 測試：等效噪聲源關(guān)閉與打開時(shí)的輸出噪聲功率

值得一提的是，本文重點(diǎn)介紹的是測試思路，上面的例子測試的天線并非是大尺寸天線，而是普通的天線，所以對(duì)比圖3和圖4，是否連接天線測得的噪聲功率差異并不大。此處僅以此為例，介紹采用該方法測試天線噪聲溫度的詳細(xì)過程。