【正文】 ...................................................................2111 引言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。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。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。(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。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。當(dāng)電壓較低時(shí)，從熱陰極2發(fā)射的電子，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)。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。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。2）導(dǎo)線或器件中電荷的漂移運(yùn)動(dòng)。4）大氣或其它氣體中的傳播。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 02）噪聲電壓的均放值為常數(shù)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。它是溫度變化的結(jié)果，但不受頻率變化的影響。 或稱約翰遜噪聲（Johnson noise） 。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)。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)。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(lái)描述熱噪聲的大小。需要說(shuō)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。由 (22 )式 可得到資用熱噪聲功率的譜密度為 （23）)/(HzWkn?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(guò)的電流無(wú)關(guān))。在高于絕對(duì) 0176。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(méi)有可檢測(cè)到的電流。電阻熱噪聲的幅度和其阻值有下列關(guān)系； (24)TRBKVbn42?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。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。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。熱噪聲是在電阻一類導(dǎo)體中，自由電子的布朗運(yùn)動(dòng)引起的噪聲。電子運(yùn)動(dòng)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(dòng)。電流的方向是隨機(jī)的，因而平均值為零。這個(gè)交流成分稱為熱噪聲。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(gè)很大的隨機(jī)起伏，這個(gè)起伏就是散彈噪聲，其幅度和電流的平方根成正比： （26）fqIin??2式中，I 為穩(wěn)態(tài)電流；q 為電子電荷。 高頻噪聲與熱噪聲和散彈噪聲相比，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(chǎng)效應(yīng)管中的柵極感應(yīng)噪聲等。 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(duì)微薄射頻振蕩器和混頻器具有重要影響。閃爍噪聲幾乎在所有器件中均可以發(fā)現(xiàn)，一些無(wú)源器件中也可以看到。閃爍噪聲與頻率有關(guān)，頻率越低，閃爍噪聲對(duì)信號(hào)失真的影響越大，通常閃爍噪聲在 DC 至 500khz10Mhz 的頻率范圍內(nèi)以10dB 沒(méi)倍速的速度衰減。2/1fi ff從上式可以看出， 的對(duì)數(shù)和頻率的對(duì)數(shù)為線性關(guān)系2/1fi （212）)lg(10)lg(0l()/ ffIkff ???? 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(gè)常數(shù)，令 （213）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)，另一半與負(fù)頻率相關(guān)。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(duì)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。表征二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲特性的參數(shù)通常有兩個(gè):一是噪聲因子 F，另外一個(gè)是噪聲系數(shù) NF。 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(gè)概念，具體表達(dá)式為 (219)0/NSRFioutin?式中，SNRin 和 SNRout 分別為輸入和輸出端口的信噪比 。從式（216 ）可以看到，噪聲系數(shù)的物理含義是信號(hào)從網(wǎng)絡(luò)的輸入端傳輸?shù)捷敵龆藭r(shí)信噪比下降的數(shù)值，顯然一個(gè)理想的無(wú)噪聲放大器在放大了輸入信號(hào)的同時(shí)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 (220))(01dBSNRFoutin?9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(huì)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。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(lái)處理。因此，用來(lái)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（BER ）相比，噪聲系數(shù)更具普遍性。對(duì)于一個(gè)資用功率為 Na 的 白噪聲，可以用一個(gè)等效噪聲溫度 Te 的電阻來(lái)表示，等效噪聲溫度 Te 可以由以下計(jì)算得到 （221）kBNTae?值得注意的是，等效噪聲溫度的概念是相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)輸入端來(lái)說(shuō)的，也就是說(shuō)，所有的噪聲功率必須首先等效到網(wǎng)絡(luò)電源端才能獲得等效噪聲溫度。采用 Y 因子方法通常需要一個(gè)精確的噪聲源，以產(chǎn)生所需的高頻噪聲。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 22） ，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。根據(jù) H ines 的理論, 當(dāng)負(fù)載為純電阻 R L 時(shí), 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: （223）222 )()1()( LSPCabnIVW????式中, ，V b 為擊穿電壓, I 為雪崩電流, X 為角頻率, Xa 為雪崩???????223xthmqKa?11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(chǎng)冪關(guān)系中的指數(shù), Sh 為載流子以飽和漂移速度通過(guò)空間電荷層的渡越時(shí)間, Sx 為雪崩區(qū)內(nèi)一個(gè)載流子發(fā)生兩次電離之間的平均時(shí)間 。]5[?a這是一種較為理想的噪聲來(lái)源。白噪聲平均功率無(wú)窮大, 物理上無(wú)法實(shí)現(xiàn), 實(shí)際研究的是白噪聲通過(guò)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。ENR(dB)=10lg10( ) (224)0Tch?式中 T 為直流偏置為較大正向偏置時(shí)獲得的等效輸入噪聲溫度，T 為直流偏置h