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C波段有源微波冷噪声源设计及其性能分析
资料介绍
本文在介绍国内外有源微波冷噪声源技术发展的基础上,分析了有源微波冷噪声源的工作原理和关键技术.提出了一种有源微波冷噪声源设计方法,重点分析了设计过程中的关键环节对噪声源性能产生的影响.采用p HEMT型场效应管研制了C波段有源微波冷噪声源器件,并对该器件的性能进行了测试和分析.
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Vol． 46 No． 11
Nov． 2018
第
期
电
子
学
报
2018
11
ACTA ELECTRONICA SINICA
年
月
C
波段有源微波冷噪声源设计及其性能分析
1，2
1
1
1
1，3
， ， ， ，
董 帅 王振占 李 彬 陆 浩 贺秋瑞
( 1．
，
中国科学院国家空间科学中心 北京
100190; 2.
，
北京无线电测量研究所 北京
100854;
3.
，
中国科学院大学 北京
100049)
:
，
本文在介绍国内外有源微波冷噪声源技术发展的基础上 分析了有源微波冷噪声源的工作原理和关键
摘
要
． ， ．
技术 提出了一种有源微波冷噪声源设计方法 重点分析了设计过程中的关键环节对噪声源性能产生的影响 采用
pHEMT
C ，
型场效应管研制了 波段有源微波冷噪声源器件 并对该器件的性能进行了测试和分析
．
:
;
;
; HEMT
关键词
中图分类号
URL: http: / /www． ejournal． org． cn
有源微波冷噪声源 辐射计 定标
:
TN710. 2，TP732. 1
:
A
:
文章编号
0372-2112 ( 2018) 11-2797-06
文献标识码
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2018． 11． 030
电子学报
Design and Characterization of C-Band Active Cold Noise Source
1，2
1
1
1
1，3
DONG Shuai ，WANG Zhen-zhan ，LI Bin ，LU Hao ，HE Qiu-rui
( 1. National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China;
2. Beijing Radio Institute of Measurement，Beijing 100854，China;
3. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)
Abstract: The active microwave cold noise source technology is introduced． The working principle and key technolo-
gy of active microwave cold noise source are explained． A design method of active microwave cold noise source is pro-
posed，and the influence of the key steps in the design process on the performance of the noise source is analyzed． Based on
these theories，the C band active microwave cold noise source device was developed by the pHEMT type field effect tran-
sistor． In the end，the performance of the device is tested and analyzed．
Key words: active cold noise source; radiometer; calibration; HEMT
， ．
源 而低温定标源的获取则是难题 传统的辐射计人造
1
引言
［3，4］
， ，
其不足在于 液氮储存
低温定标源为液氮制冷源
，
微波辐射计是一种被动式微波遥感器 在气象探测
、
，
隔热装置增大了系统体积和质量 定期的液氮加注步
．
海洋监测以及地表信息获取等领域中有重要作用 微波
，
骤增加了时间成本和维护难度 因而此类定标源用于
，
辐射计定标用于确定通道响应函数 建立辐射计输出电
，
实验室场合尚可 在各类野外探测环境下则难以应用
．
，
压信号与天线观测亮温之间的函数关系 对微波辐射计
，
为解决上述问题 本文在微波冷噪声理论的基础
［1］
．
，
通常 辐射计被设计线性
测量精度有极为重要的影响
， ．
上 研究了一种有源微波冷噪声源器件 该器件是一种
，
系统 可采用两个微波辐射特性精确已知的高低温定标
，
固态微波电路 能够在常温环境下输出极低的噪声亮
， ， 、
源进行两点定标 由辐射计测量原理可知 高 低温定标
， ，
温 摆脱了传统辐射计低温源对制冷剂的依赖 是一种
，
源亮温间隔越大 两者的不确定度引起的定标误差就会
．
理想的微波辐射计内定标低温源
［2］
． ，
越小 因此 选取高温定标源应尽量接近或者超出观测
，
场景辐射最大值 低温定标源应接近或者低于其最小值
，
2
有源微波冷噪声源概念
．
二者应尽可能涵盖观测场景亮温的动态范围
( Field
有源微波冷噪声源的研究源于对场效应管
Effect Transistor，FET) ． 1975 Pucel
给
， ，
科学实践中 高温定标源较易获得 恒温于
300K
噪声特性的分析
年
附近的匹配负载或人工黑体均可制成高精度高温定标
［5］
FET
，
据此
，
出了精确描述
电学特性的等效电路模型
: 2016-05-11;
: 2017-12-01; :
责任编辑 蓝红杰
收稿日期
修回日期
:
基金项目 全球水循环观测卫星有效载荷关键技术与卫星方案设计论证研究资助项目
( No． XDA04061202)
2798
2018
年
电
子
学
报
FET
(
的等效输入阻抗表现为一个较大的电容 起主要
，T
2
，T
为负载温度 是与晶体管输入端相连的系统的
1
其中
) ( ) ．
贡献 和一个很小的串联电阻 贡献很小 根据这种输
． G
G
21
S (
是由晶体管 参数计算得到的正向 自栅极
温度
和
12
，
入阻抗的形式 若在源极电路中加入恰当的电感反馈
，
) ( ) ．
向漏极 和反向 自漏极向栅极 功率增益 而
T 、T
则是
b
a
．
则可以在栅极端获得一个无噪电阻器
，1981 Frater
由于非最佳噪声匹配情况导致的漏极噪声传导至栅极的
［19］
FET
，
噪声贡献和栅极自身噪声贡献 分别由下式表示
:
在此基础上
年
等人提出
输入端
'
2
T
经过阻抗变换能够得到远小于室温电阻的等效噪声温
Γ
k
opt
T = T
a
+
［K］
( 2)
e( min)
'
2
，
度 并设想了一种在常温环境下产生低温噪声的噪声
1 －
Γ
opt
———“
源器件 冷场效应管
“( “COLFET”) ，
［6］
提出
T
文献
k
T =
b
－ T
［K］
( 3)
e( min)
'
2
:
其三点潜在应用价值 为低噪声接收机噪声测量提供
1 －
Γ
opt
;
传统冷负载 作为三端环形器的冷终端以降低天线失
，T
= T ( NF -1) ，T = 4T R G ． R
opt
G
和 分
opt
其中
e( min)
0
min
k
0
n
n
'
;
配 作为微波辐射计的冷参考负载与天线测得的低温
，
别为晶体管的等效噪声电阻和最佳噪声电导 Γ 为非
opt
［6］
．
亮温进行比对
其后十六年
络噪声模型分析和设计了
21
，
最佳噪声匹配状态下的实际值 其与 Γ 的关系为
opt
:
*
，Dunleavy
等人首次应用双端口微波网
－
Γ
Γ
opt
in
'
=
( 4)
Γ
opt
COLFET，
极大推动了
FET
冷
－ 1
Γ Γ
opt
in
．
，
噪声源的发展 进入
世纪 国外该方向研究日趋深
入 多家研究机构相继研制出应用于不同微波频段的
“Active Cold Noise
，
在工程应用中 匹配电路的设计均要求场效应管
*
'
，
，
处于最佳噪声状态 此时 Γ
=
，
= 0.
在
Γ
从而有 Γ
opt
in
opt
，
该类 噪 声 源 并 将 命 名 统 一 为
T 、T
a
( 1) ，
中 可以得到新的
此条件下简化
并代入式
b
Source”( ACNS) “Active Cold Load，ACL”( ACL) ．
或
本文
T
，
表达式 新表达式对 Γ 求偏导得式
L
( 5) :
s，1
“ ” ，
以 有源微波冷噪声源 作为此类器件的中文名称 对
T
s，1
2
= 2G ［( T ( 1 －
12
) + T
) G － T ］
21
Γ
Γ
L
1
S
e( min)
2
“ACNS”
应选取 作为其英文缩写
．
Γ
L
Frater
，ACNS
与如
设想的一样
从诞生之时就表现
． ACNS
( 5)
出作为微波辐射计定标源的巨大潜力
工作时无
需液态制冷剂参与 这大大降低了系统复杂度和维护
T
s，1
( 5)
，
可以看出 当 Γ
0 ，
时 有
→
0，
此时
由式
→
L
，
Γ
L
． ， ，
难度 而且 作为人噪噪声源 其噪声特性完全人工可
T
． ，
取得极值即最小值 在此条件下 这种以场效应管为
s，1
， ，
控 使得内定标过程不受大气环境变化影响 可用于地
．
核心的微波电路可以向外输出最低的噪声温度
、 ， ［6 ～ 17］
基 星载等各种条件 文献 代表了迄今为止国
，
同时根据双端口微波网络噪声理论 在最佳噪声
［19］
．
外在该领域的主要研究成果 相比于国外研究的高速
:
匹配的条件下有
*
，
发展和日臻成熟 目前国内对这一领域的研究相对较
－ S
Γ
opt
11
=
( 6)
Γ
L
*
，
少 目前仅有华中科技大学的李青侠老师等人对这一
S S + S (
12 21
－ S )
11
Γ
22
opt
［18］
．
技术进行了研究
| |
则 Γ 是一个可以通过
L
FET
S
本征参数和电路 参数矩
． ，
阵直接求得的物理量 应当注意的是 公式
( 6) S
里的
3
微波冷噪声原理
3 4
参数为以参考平面 和参考平面 作为网络端口时的
ACNS
FET
产生的微波冷噪声基于
本征特性和双
．
物理量 由式
( 6) ，
设计目标转化为调节参考平面
3 /4
． 1
端口微波网络噪声模型 图 为以场效应管为核心的双
S | |
间的 参数矩阵使得 Γ 最小
L
．
．
端口微波网络示意图
，
综合上述理论分析 该微波网络存在
T
的最小
s，1
， | | ，
值 而这一最小值在 Γ 最小时达到 这就为实际的
L
ACNS
．
研制提供了理论依据
4
C
ACNS
波段
设计
，
以上述微波冷噪声原理为基础 文本设计了一个
C
工作于 波段的
ACNS ． 2 C ACNS
器件 图 是 波段
核心
．
电路拓扑结构
， 1
根据改进的微波网络噪声模型 参考平面 处向系
ACNS
6. 8GHz，
工作中心频率为 带宽大于
设计该
［19］
:
统方向入射的噪声温度为
35MHz，
输出噪声温度小于
150K． ACNS
能够在常温环
2
T
= T + ［( T ( 1 －
1
) + T )
a
Γ
s，1
b
S
( 1)
FET
，
境产生低温噪声归因于
独特的噪声特性 本设计
GaAs pHEMT ，
管 该
2
2
G
+ T ( 1 －
2
) ］G
［K］
Γ
Γ
L
Avago ATF38143
公司的
选取
型
基
21
L
12
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