一种热噪声标准源等效输出噪声温度的计算方法

    1 引 言

    噪声参数是无线电计量的基本参数之一,它是衡量低噪声器件和接收机系统性能的一个关键参数。热噪声标准源是噪声参数的最高标准,它用于定义、实现、保持和复现标准噪声温度。热噪声标准源主要由匹配负载终端、传输线、温度测量和控制系统组成。

    2 等效噪声温度基本原理

    热噪声标准源的等效输出热噪声温度量值是建立在基本物理量)))热力学温度的基础之上。它是通过普朗克定律与热力学温度相联系起来的。

    普朗克定律是由德国物理学家马克斯#普朗克在量子论基础上建立的关于黑体辐射的经验公式,用于描述在任意温度下,从一个黑体中发射的电磁辐射的功率与黑体本身的物理温度和电磁辐射的频率关系。其表达式如式(1)所示

    式中:P—资用噪声功率,单位为(W);

    h—普朗克常数,等于6. 625 6@10-34J#s;

    f—频率,单位(Hz);

    B—观测带宽,单位(Hz);

    k—波尔兹曼常数,等于1. 38@10-23J/K;

    T—黑体的物理温度,单位(K)。

    其中第一项称作零点能量项,对于这一项的存在与否,目前还众说不一。这是一个微小量,我们可以不去讨论它。式中hf/kT在f<100 GHz,T>77K时远小于1,于是式(1)可简化为式(2)[1]

P=kTB(2)

    式(2)确定了热噪声功率与黑体物理温度这个基本量的关系,这就是我们建立热噪声标准源的基本依据。在给定观测带宽的情况下,由式(2)可知,黑体辐射的噪声功率可以用黑体物理温度T来表征,其它物体辐射的噪声功率也可以等效为黑体的物理温度,我们称其为等效输出噪声温度。

    在热噪声标准源中的匹配负载终端近似为黑体,所以其在达到热平衡的状态下,所辐射出来的资用噪声功率也可以用普朗克定律来描述。我们知道,任何传输线都不可能无损耗,而且传输线在对匹配负载终端所辐射的噪声功率衰减的同时,其本身也会辐射噪声功率,因而最终从标准噪声源输出端口提供的资用噪声功率是一个匹配负载终端和有耗传输线的噪声贡献的合成结果,图1给出了一个典型的波导热噪声标准源等效输出噪声温度的计算模型。其完整表达式如式(3)[2]所示。

   式中:Ts—标准噪声源等效输出噪声温度,单位K;

    Tm—匹配负载终端的物理温度,单位K;

    Tg(x)—波导传输线x处的物理温度,单位K;

    x—从负载尖端到所研究的波导区域之间的轴向距离,单位cm;

    L—从负载尖端到输出法兰的波导长度,单位cm;

    A(x)—波导传输线单位长度的衰减,单位Np/cm。

    式中右侧第一项正比于匹配负载终端所产生的噪声功率,同时被0-L之间的波导传输线所衰减;第二项正比于在x处波导的每个无穷小段dx产生的噪声功率之和,同时被x-L之间的波导所衰减。