使用等效噪声温度表征射频噪声分量|无线电_新浪科技

了解使用噪声温度表征RF噪声分量的另一种方法，以及这一概念如何阐明噪声系数测量仪器的实际工作原理。

本文引用地址：

之前，我们讨论过噪声系数是射频工作中常用的噪声规范。表征射频组件和系统噪声性能的另一种方法是等效噪声温度，这将是本文的主要重点。

一般来说，噪声系数和等效噪声温度都提供了相同的信息；然而，您可能对噪声温度的概念不太熟悉。噪声温度主要用于非地面应用，如射电天文学和面向空间的无线电链路，这些链路处理非常小的噪声水平。尽管其应用范围很小，但熟悉噪声温度概念可以让我们更清楚地了解噪声系数测量仪器的实际工作原理。事实上，自动噪声系数分析仪可能会根据噪声温度进行许多内部计算。

单端口设备的噪声温度：天线或噪声源

我们可以使用噪声温度概念来指定单端口设备（如天线或噪声源）产生的噪声。为了更好地理解这一点，考虑一个任意的白噪声源，其输出阻抗为R，连接到匹配的负载电阻器RL，如下图1（a）所示。

任意白噪声源的示例图，其输出阻抗连接到匹配的负载电阻器（a）和温度为Te的单个电阻器，产生与原始噪声源（b）相同的噪声量。

图1 任意白噪声源的示例图，其输出阻抗连接到匹配的负载电阻器（a）和温度为Te的单个电阻器，产生与原始噪声源（b）相同的噪声量

让我们假设噪声源将噪声功率从No传递到RL=R（即，噪声源的最大可用噪声功率为No）。我们知道电阻器的可用噪声功率为kTB。将kTB与No相等，我们可以找到电阻器表现出可用噪声功率为No的温度。

这一观察结果为我们提供了图1（b）所示的噪声模型，其中使用温度为Te的单个电阻器R产生与原始噪声源相同的噪声量，其中Te是噪声源的

。请注意，噪声温度并不表示电阻器的物理温度，就像用温度计测量一样。噪声温度只是一个概念，它使我们能够模拟组件产生的实际噪声水平。同样值得一提的是，根据定义，噪声系数概念不能应用于单端口设备。

双端口器件的噪声温度：噪声放大器

噪声温度概念也可用于描述双端口网络的噪声性能。例如，考虑一个增益为G、带宽为B的噪声放大器连接到匹配的源电阻器，如图2（a）所示。

图2 噪声测量系统中有噪声（a）和无噪声（b）放大器的示例图

接下来，可以使用等式1来描述放大器输出端的可用噪声。

方程式1

解释：

No(added) 是放大器内部噪声源产生的噪声部分

kT0BG 是源电阻器的可用噪声（kT0B）乘以放大器的可用功率增益G

与单端口示例类似，我们希望通过为源电阻器找到新的温度来模拟放大器的噪声。为此，我们首先找到放大器的输入参考噪声：

将上述值与kTeB相等，我们得到了等效温度，其中电阻器的可用噪声功率等于方程2中放大器的输入参考噪声。

方程式2

由此，我们可以假设放大器是无噪声的，而是将Rs的初始温度提高Te，以解释放大器的噪声。如图2（b）所示。

现在，让我们通过计算总输出噪声来验证我们的模型。参考图2（b），我们有：

这与方程式1是一致的（这并不奇怪！）。有了放大器的噪声温度Te，我们就可以找到整个系统的噪声温度，包括源阻抗Rs和由T0+Te给出的放大器。此外，通过将方程2与下面的噪声因子定义相结合，我们可以得到一个有用的方程，该方程以等效噪声温度表示噪声系数，如方程3所示。

方程式3

级联系统的噪声温度

由N个双端口设备组成的级联系统如下图3所示。

图3 一个由N个双端口器件组成的级联系统图

解释：

Fi是噪声因子

Ti是等效噪声温度

Gi是第i级的可用功率增益

考虑到这一点，我们知道级联系统的噪声系数为：

应用方程3，我们可以用其等效噪声温度替换每个Fi项，并找到级联系统的噪声温度：

如果Ts表示源阻抗的噪声温度，则整个系统（包括Rs和级联）的噪声温度为Ts+Tcas。

现在，让我们看几个例子来澄清上述概念。

示例1：指定噪声系数以满足系统要求

假设源温度Ts=60 K，整个系统噪声温度为380 K。求级联的噪声系数。

级联本身的噪声温度很容易找到，Tcas=380-Ts=320K。接下来，我们应用方程3来找到所需的级联噪声系数：

示例2：求级联系统输出的噪声功率

假设源噪声温度为Ts=150K。此外，假设级联噪声因子、增益和带宽分别为Fcas=1.8、G=6dB和B=10MHz。找到级联输出端的可用噪声功率。

我们首先使用方程式3来计算级联的噪声温度：

因此，整个系统的噪声温度为Tsys=Ts+Tcas=150+232=382 K。最后，我们得到：

重温“噪声线”——噪声系数与噪声温度

在上一篇文章中，我们查看了总输出噪声与源电阻温度T的关系图（图4）。

图4 显示总输出噪声与源电阻温度的图

这条曲线使我们能够更好地理解噪声系数和噪声温度之间的重要差异。噪声系数度量对应于T0的标准温度。它实际上指定了T0时RS贡献的输出噪声（即kT0BG）与被测器件的输出噪声之比，No(added) 。从图中可以看出，这个比率随着T的变化而变化，这就是为什么噪声系数是在标准温度下给出的。然而，从方程2中可以看出，噪声温度直接指定了被测器件添加的噪声No（added），它不随t而变化。这一特征使我们能够简单地将组件的噪声温度添加到源电阻的任意噪声温度中；并使用系统的整体噪声温度来找到输出噪声功率。

另一方面，当源温度Ts与标准温度T0不同时，应用噪声系数概念可能有点棘手。如果Ts≠T0，我们不能直接使用噪声系数定义来找到总输出噪声。在这种情况下，我们应该首先使用噪声系数方程来找到No(added)，然后使用该信息来找到输出噪声。

噪声温度：低噪声系统中的一种更高分辨率度量

表1噪声系数值的噪声温度示例。数据由Thomas H.Lee提供

请注意，对于极低噪声系统，噪声温度是噪声性能的更高分辨率描述。例如，当噪声系数从0.5 dB变化到1 dB时，噪声温度在相对较大的范围内变化，从35.4 K变化到75.1 K。噪声系数在这个范围内也有很小的变化，从1.122变化到1.259。作为一种更高分辨率的表示，噪声温度通常用于表征处理极低噪声水平的卫星通信系统。

天线噪声温度

作为本文的最后一部分，让我们简要了解一下可能影响天线噪声温度的一些因素。用作接收元件的天线的电气模型如下图所示（图5）。