一种微波射频前端的噪声测量装置及测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种微波射频前端的噪声测量装置，包括馈源、定标源、宽带功率谱分析单元和计算机实时显示单元；其中，所述馈源用于接收来自大气和定标源的微波辐射信号，其所接收的微波辐射信号输入被测的微波射频前端中，由所述微波射频前端对微波辐射信号做低噪放大和下变频，生成中频信号；所述中频信号输入所述宽带功率谱分析单元，由所述宽带功率谱分析单元对中频信号进行数据采集及频谱分析，得到被测的微波射频前端的功率谱、噪声温度和噪声系数；这些结果由所述计算机实时显示单元实时显示。
【专利说明】
一种微波射频前端的噪声测量装置及测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及噪声测量领域，特别涉及一种微波射频前端的噪声测量装置及测量方 法。
【背景技术】
[0002] 微波辐射计接收机的噪声系数主要由网络前级（即微波射频前端）的噪声系数决 定，微波射频前端的噪声系数越小，功率增益越高，则级联网络的噪声系数就越小，因此对 微波射频前端噪声系数的准确测量是衡量微波接收机系统性能的重要指标。
[0003] 由于微波辐射计微波射频前端为微波接收机的网络前级，没有中频放大及检波装 置，因此不能在冷热定标源情况下通过测量检波电压等方式实现噪声系数和噪声温度的测 量。
[0004] 目前，微波辐射计微波射频前端噪声系数和噪声温度主要通过噪声源和噪声系数 分析仪直接测量得到；也可通过频谱仪测量微波射频前端的增益以及输出功率谱密度进行 计算得到；采用噪声系数分析仪是测量噪声系数的最直接方法，但这种方法的缺点在于： 1)噪声系数分析仪所测部件频率受已知噪声源频率限制，不能够满足测量高频率微波射频 前端噪声系数的要求；2)通过噪声系数分析仪进行噪声测量的误差随着微波射频前端噪 声系数的增大而迅速增大，因此该方法仅适用于较低噪声系数的微波射频前端。
[0005] 同时，这两种方法的共同缺点在于需要噪声源、噪声系数测量仪和频谱仪的配合， 仪器昂贵、体积较大且携带不便，同时通过频谱仪测试噪声系数不能直观显示测量结果，需 进行后续人工计算，对于野外试验等实时测量过程操作不便。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服已有的微波射频前端的噪声测量装置与测量方法应用范 围有限、测试过程复杂等缺陷，从而提供一种适用范围广、易于操作的噪声测量装置与测量 方法。
[0007] 为了实现上述目的，本发明提供了一种微波射频前端的噪声测量装置，包括馈源、 定标源、宽带功率谱分析单元和计算机实时显示单元；其中，所述馈源用于接收来自大气和 定标源的微波辐射信号，其所接收的微波辐射信号输入被测的微波射频前端中，由所述微 波射频前端对微波辐射信号做低噪放大和下变频，生成中频信号；所述中频信号输入所述 宽带功率谱分析单元，由所述宽带功率谱分析单元对中频信号进行数据采集及频谱分析， 得到被测的微波射频前端的功率谱、噪声温度和噪声系数；这些结果由所述计算机实时显 示单元实时显示。
[0008] 上述技术方案中，所述定标源包括冷源和热源；所述冷源为经液氮冷却的微波吸 收黑体，作为低温参考源；所述热源为常温定标黑体，提供相当于环境温度的标准亮温，作 为高温参考源。
[0009] 上述技术方案中，所述宽带功率谱分析单元进一步包括：高速模数转换器、FPGA 以及配置电路；中频信号输入宽带功率谱分析单元后，首先由高速模数转换器做高速数字 采样，然后进入FPGA进行FFTS傅里叶变换、多通道累加，最后得到功率谱。
[0010] 本发明还提供了采用所述的微波射频前端的噪声测量装置所实现的噪声测量方 法，包括：
[0011] 步骤1)、将待测的微波射频前端上电，确认系统工作正常；
[0012] 步骤2)、将馈源对准冷源，由宽带功率谱分析单元测得微波射频前端的频谱及功 率，然后通过计算机实时显示单元显示，记录观测冷源时的平均输出功率；
[0013] 步骤3)、将馈源对准热源，记录观测热源时的平均输出功率；
[0014] 步骤4)、微波射频前端的平均输出功率和噪声温度之间存在如下关系：
[0015] Pl= GkB (T rec+TL)
[0016] Ph= GkB (Trec+TH) (I)
[0017] 其中，匕为观测冷源时的平均输出功率；1\为液氮冷源温度80K ;P H为观测热源时 的平均输出功率；Th为常温定标黑体的温度，即测试环境下的环境温度；G为微波射频前端 的增益；k为波尔兹曼常量；B为微波射频前端的带宽；I re。为微波射频前端的噪声温度；其 中，噪声温度Ire。和射频前端增益G为未知量；
[0018] 通过所述方程（1)计算得到微波射频前端的噪声温度Ire。及射频前端增益G，并由 计算机实时显示单元进行实时显示；
[0019] 步骤5)、微波射频前端的噪声温度和噪声系数之间存在如下关系：
[0020] Trec= (F-I)T0NF = 10 · Iog10F (2)
[0021] 其中，NF为微波射频前端的噪声系数；F为微波射频前端的噪声因数；T。为环境温 度；
[0022] 通过所述方程（2)计算得到微波射频前端的噪声系数F，并由计算机实时显示单 元进行实时显示。
[0023] 本发明的优点在于：
[0024] 1)微波射频前端频率不受限制；
[0025] 2)噪声测量误差不累积，不会随着微波射频前端噪声系数的增大而增大；
[0026] 3)不需要噪声系数分析仪或频谱仪等大型测试设备的配合，测试过程简单、结果 显示直观且携带方便。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明的微波射频前端的噪声测量装置的结构示意图；
[0028] 图2是噪声测量装置中的宽带功率谱分析单元对信号的处理流程图；
[0029] 图3是噪声测量方法的流程图。
【具体实施方式】
[0030] 现结合附图对本发明作进一步的描述。
[0031] 图1为本发明的一种微波射频前端的噪声测量装置的结构示意图。如图所示，该 噪声测量装置包括馈源、定标源、宽带功率谱分析单元和计算机实时显示单元；其中，所述 馈源用于接收来自大气和定标源的微波辐射信号，其所接收的微波辐射信号输入被测的微 波射频前端中，由所述微波射频前端对微波辐射信号做低噪放大和下变频，生成中频信号； 所述中频信号输入所述宽带功率谱分析单元，由所述宽带功率谱分析单元对中频信号进行 数据采集及频谱分析，得到被测的微波射频前端的功率谱、噪声温度和噪声系数；这些结果 由所述计算机实时显示单元实时显示。
[0032] 下面对本发明的噪声测量装置中的各个部件以及被测的微波射频前端做进一步 说明。
[0033] 所述定标源包括冷源和热源；所述冷源为经液氮冷却的微波吸收黑体，作为低温 参考源；所述热源为常温定标黑体，提供相当于环境温度的标准亮温，作为高温参考源。
[0034] 微波射频前端作为被测件可采用市场上已有的产品，在图1所示的实施例中，该 微波射频前端包括：本振，低噪放大器，混频器，前置中频放大器；馈源接收到的目标辐射 信号经射频放大以后由本振和混频器完成射频至中频的频率下变换，再经前置中频放大器 完成信号的中频预放大，最后直接输出至宽带功率谱分析单元进行数据处理。
[0035] 参考图2,宽带功率谱分析单元进一步包括：高速模数转换器、FPGA以及相关配置 电路；中频信号输入宽带功率谱分析单元后，首先由高速模数转换器做高速数字采样，然后 进入FPGA进行FFTS傅里叶变换、多通道累加，最后得到功率谱。宽带功率谱分析单元采样 率达到1GHz，该单元能够处理500MHz信号带宽并得到优于31KHz的谱分析率。在一个实施 例中，所述FPGA可采用的Xilinx公司V5系列FPGA。
[0036] 宽带功率谱分析单元技术指标见表1。
[0037] 表1宽带功率谱分析单元设计主要技术指标
[0039] 采用本发明的噪声测量装置可实现对微波射频前端的噪声测量，如图3所示，在 一个实施例中，本发明的微波射频前端的噪声测量方法包括如下步骤：
[0040] 1)微波射频前端上电，确认系统工作正常；
[0041] 2)将馈源对准冷源，由宽带功率谱分析单元测得微波射频前端频谱及功率，然后 通过计算机实时显示单元显示，记录观测冷源时的平均输出功率；
[0042] 3)将馈源对准热源，同时记录观测热源时的平均输出功率；
[0043] 4)由于微波射频前端可视为线性系统，前端平均输出功率和噪声温度之间存在如 下关系：
[0044] Pl= GkB(T rec+TL)
[0045] Ph= GkB (Trec+TH) (I)
[0046] 其中，匕为观测冷源时的平均输出功率；T ^为液氮冷源温度80K ;P H为观测热源时 的平均输出功率；Th为常温定标黑体的温度，即测试环境下的环境温度；G为微波射频前端 的增益；k为波尔兹曼常量；B为微波射频前端的带宽；I re。为微波射频前端的噪声温度；其 中，噪声温度Ire。和射频前端增益G为未知量。
[0047] 通过所述方程（1)，可得微波射频前端的噪声温度Ire。及射频前端增益G，并由计 算机实时显示单元进行实时显示；
[0048] 5)由于微波射频前端的噪声温度和噪声系数之间存在如下关系：
[0049] Trec= (F-I)T0NF = 10 · Iog10F (2)
[0050] 其中，NF为微波射频前端的噪声系数；F为微波射频前端的噪声因数；T。为环境温 度；
[0051] 通过所述方程（2)，可得微波射频前端的噪声系数F，并由计算机实时显示单元进 行实时显示。
[0052] 本发明的一种微波射频前端的噪声测量装置的优点在于：测试过程不需要噪声 源、噪声系数分析仪或者频谱仪的配合，体积较小、节约成本、测试简单、显示直观且携带方 便，通过谱分析技术实现噪声系数测量装置通用性强，应用广泛。
[0053] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种微波射频前端的噪声测量装置，其特征在于，包括馈源、定标源、宽带功率谱分 析单元和计算机实时显示单元；其中，所述馈源用于接收来自大气和定标源的微波辐射信 号，其所接收的微波辐射信号输入被测的微波射频前端中，由所述微波射频前端对微波辐 射信号做低噪放大和下变频，生成中频信号；所述中频信号输入所述宽带功率谱分析单元， 由所述宽带功率谱分析单元对中频信号进行数据采集及频谱分析，得到被测的微波射频前 端的功率谱、噪声温度和噪声系数；这些结果由所述计算机实时显示单元实时显示。2. 根据权利要求1所述的微波射频前端的噪声测量装置，其特征在于，所述定标源包 括冷源和热源；所述冷源为经液氮冷却的微波吸收黑体，作为低温参考源；所述热源为常 温定标黑体，提供相当于环境温度的标准亮温，作为高温参考源。3. 根据权利要求1所述的微波射频前端的噪声测量装置，其特征在于，所述宽带功率 谱分析单元进一步包括：高速模数转换器、FPGA以及配置电路；中频信号输入宽带功率谱 分析单元后，首先由高速模数转换器做高速数字采样，然后进入FPGA进行FFTS傅里叶变 换、多通道累加，最后得到功率谱。4. 采用权利要求1-3之一所述的微波射频前端的噪声测量装置所实现的噪声测量方 法，包括： 步骤1)、将待测的微波射频前端上电，确认系统工作正常； 步骤2)、将馈源对准冷源，由宽带功率谱分析单元测得微波射频前端的频谱及功率，然 后通过计算机实时显示单元显示，记录观测冷源时的平均输出功率； 步骤3)、将馈源对准热源，记录观测热源时的平均输出功率； 步骤4)、微波射频前端的平均输出功率和噪声温度之间存在如下关系： PL=GkB(T rec+TL) PH=GkB(T rec+TH) (1) 其中，匕为观测冷源时的平均输出功率为液氮冷源温度80K ;P H为观测热源时的平 均输出功率；TH为常温定标黑体的温度，即测试环境下的环境温度；G为微波射频前端的增 益；k为波尔兹曼常量；B为微波射频前端的带宽；。为微波射频前端的噪声温度；其中， 噪声温度。和射频前端增益G为未知量； 通过所述方程（1)计算得到微波射频前端的噪声温度。及射频前端增益G，并由计算 机实时显示单元进行实时显示； 步骤5)、微波射频前端的噪声温度和噪声系数之间存在如下关系： Trec= (F-l)T。NF = 10 · log10F (2) 其中，NF为微波射频前端的噪声系数；F为微波射频前端的噪声因数；T。为环境温度； 通过所述方程（2)计算得到微波射频前端的噪声系数F，并由计算机实时显示单元进 行实时显示。
【文档编号】G01R29/26GK105842551SQ201510020637
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年1月15日
【发明人】张升伟, 张瑜, 王新彪, 封天
【申请人】中国科学院空间科学与应用研究中心