【正文】 ............................... 12 3 固態(tài)噪聲源的測(cè)試 .......................................................... 13 電路設(shè)計(jì) ........................................................... 13 測(cè) 量方法及過程 ..................................................... 15 實(shí)物圖 ............................................................. 16 誤差分析 ........................................................... 17 參考文獻(xiàn) ................................................................... 19 致 謝 ................................................................... 20 附 錄 ................................................................... 21 1 1 引言 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性 ,微波測(cè)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(cè)試 ,作為輻射計(jì)的比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)以及各類整機(jī)系統(tǒng) 的自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(wú)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(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在遙感、噪聲測(cè)量、雷達(dá)整機(jī)性能的自動(dòng)監(jiān)測(cè)獲得了廣泛的應(yīng)用。 固態(tài)源的簡(jiǎn)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(duì)低噪聲器件的要求越來越迫切，為檢測(cè)器件的性能和度量通信等設(shè)備接收微弱信號(hào)的能力，需要測(cè)量器件與設(shè)備的噪聲特性，尤其是軍用電子元器件和軍用整機(jī)的測(cè)試，這使得噪聲系數(shù)的測(cè)試與計(jì)量變得 極為重要。在進(jìn)行噪聲測(cè)量時(shí)，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(shí)比較適用，而噪聲發(fā)生器法在高頻時(shí)比較適用。在八毫米波段進(jìn)行噪聲測(cè)量，由于測(cè)試頻率比較高，所以采用噪聲發(fā)生器法。在測(cè)量線性二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)時(shí)，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(cè)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(cè)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(cè)量帶寬，免除了 因測(cè)量通頻帶和頻響特性引起的測(cè)量誤差。 (4)噪聲發(fā)生器的噪聲功率可以方便地進(jìn)行計(jì)算，因此在微波毫米波噪聲特性測(cè)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(duì)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(yáng)極組成。當(dāng)電壓較低時(shí)，從熱陰極發(fā)射 2 的電子，因獲取能量小而在陰陽(yáng)極之間行成空間電荷，限制電子發(fā)射，當(dāng)陽(yáng)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(shí)，電流恒定時(shí)，但單位時(shí)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(cè)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(bào)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(guó)外固態(tài)噪聲源己有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。 工作任務(wù)和指標(biāo) 使用噪聲二極管，設(shè)計(jì)一個(gè) C 波段的微波噪聲信號(hào)源，要求噪聲源的ENR20dB 2 微波射頻噪聲測(cè)量技術(shù) 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(duì)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(duì)溫度 0 K 以上的熱運(yùn)動(dòng)。 2）導(dǎo)線或器件中電荷的漂移運(yùn)動(dòng)。 3）電荷在物體表面的發(fā)射運(yùn)動(dòng)。 4）大氣或其它氣體中的傳播。 3 在微波射頻電路中的噪聲是指任何不希望的電擾動(dòng)和毛刺信號(hào)，這些不希望的信號(hào)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(shí)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(jì)的方法進(jìn)行分析，根據(jù)統(tǒng)計(jì)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) 噪聲的種類 目前在電路設(shè)計(jì)中 用到的噪聲主要分為以下兩大類： 1）和頻率無(wú)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 熱噪聲 又稱 白噪聲 。是由 導(dǎo)體 中 電子 的熱震動(dòng) ]41[? 引起的，它存在于所有 電子器件 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。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(duì) 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(wú)光投射光電陰極時(shí)，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(dòng) 。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(wú)規(guī)律電漲落，它是由導(dǎo)體中自由電子的無(wú)規(guī)律熱運(yùn)動(dòng)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(huì)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。 Nyquist 在熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)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 2nU =4KTRB （ 21） 4 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(cè)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(shí)在帶寬 B內(nèi)產(chǎn)生的資用噪聲功率 N K T BRRU n ??? 22)2( (22) 從 (22)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(shí)，由于量子效應(yīng)，公式 ()將有一定的 近似性，這時(shí)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 Nyquist 公式應(yīng)滿足電阻處于 T 的熱平衡狀態(tài)這一條件。 由 (22 )式 可得到資用熱噪聲功率的譜密度為 )/( HzWkTWn ? （ 23） 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(wú)關(guān) (與電阻的端電壓及通過的電流無(wú)關(guān) )。 電阻是電路中最主要的熱噪聲源。 在高于絕對(duì) 0176。（ 273℃ 或 Ok）的任何溫度下，物質(zhì)中的電子都在持續(xù)地?zé)徇\(yùn)動(dòng)。由 于其運(yùn)動(dòng)方向是隨機(jī)的，任何短時(shí)電流都不相關(guān)，因此沒有可檢測(cè)到的電流。但是連續(xù)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)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； TRBKV bn 42 ? (24) 式中， Vn 是噪聲電壓，以 V 為單位； Kb 是玻爾茲曼常數(shù)， 10(23)J/K； T 是溫度，以 K 為單位； R 是電阻，以 Ω 為單位； B 是帶寬，以 Hz 為單位。 在室溫下，可簡(jiǎn)化為下面的表達(dá)式： RV 4?噪聲 (25) 圖 21 所示為電阻在 25℃ 時(shí)，在 50Ω 終端電阻上產(chǎn)生的熱噪聲功率。 5 圖 21 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(gè)高增益的有源濾波器中，噪聲可能會(huì)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 dBm／ Hz 的功率幅度看上去很小，但給定帶寬內(nèi)的總功率也會(huì)很高。如果把 V 噪聲使用 V2 噪聲／ R 終端轉(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