杨顺平，杜　艳，周太富

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)



多端口T/R组件的单通道噪声系数测试方法*

杨顺平**，杜艳，周太富

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

多端口T/R组件输出端口的噪声由各个通道共同决定，要测试单独通道的噪声系数非常困难。提出了一种基于衰减器改变的多端口TR组件单通道噪声系数测试方法，消除了其他通道的噪声影响，实现了对单独通道噪声系数的测试。通过测试一个8通道T/R组件的各个通道噪声系数，与单独通道测试结果进行了对比，两种方法测试结果最大差异为0.08 dB，验证了该方法可以很准确地测量多端口网络的单通道噪声系数。

相控阵；T/R组件；多端口；单通道噪声系数测试

1　引　言

随着相控阵天线向着更高的频率发展，其集成度越来越高。天线阵面、T/R、信道、控制器做得越来越轻、越来越小[1-2]。T/R组件也由原来的独立单通道变为多通道，形成一个子阵网络。由于子阵级T/R组件内集成有功率分配/合成网络，对子阵单元各通道信号进行合成和分配，从T/R组件角度来看这些通道只有一个公共信号口，形成N口对一口的接口形式。同时，由于T/R组件处于全通道工作模式，在测试某一收发通道的噪声系数时，其他T/R组件都同时在供电，因此它们产生的噪声在公共端口同时被合成且无法消除，这样无法通过仪器直接测得每个通道不受其他通道影响的噪声系数。所以其噪声系数将不再是单独的一个通道所决定，而是由所有通道共同作用的结果，相应地其测试方法也不能再采用原来的单独通道的测试方法[3]，而需要新的测试方法以准确地测试多端口T/R组件的单通道噪声系数。

文献[4]给出了将多个网络等效为一个2端口网络，给出了多端口有源合成网络噪声系数的测试方法，并测试了一个4通道加一个4∶1功分网络的噪声系数。文献[5]给出了在其他端口接匹配负载或者特定噪声源的情况下某一端口噪声系数的测试方法。这些测试方法得到的结果能够对多口网络T/R组件的噪声特性进行一定程度的表征，并由这些参数能计算到整机的噪声特性。但以上两种方法都不是测试通道的单独噪声系数，而通道独立的噪声系数的真实情况，在T/R的生产调试、故障诊断时却是非常需要的。因此，本文提出一种新的测试方法，用于解决多端口网络T/R组件的单通道噪声系数的测试问题。

2　基本理论

2.1多端口T/R组件的单通道噪声

T/R组件一般由输入端的低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)、滤波器、移相器、衰减器、功分合成网络构成。当输入端口噪声为NIN,i时，其输出噪声为

(1)式中：NOUT为输出端口总噪声；i为通道编号；I为通道总数量；NIN,i为第i个通道的外部输入噪声；Ne,i为第i通道产生的噪声折算到通道输入端口后的等效噪声；Gi为第i通道的增益。从公式(1)可以看出，输出端口的噪声由各个通道产生的噪声叠加得到。

2.2多端口网络单独通道噪声系数定义

如果只考虑某一通道的噪声系数，多端口网络单通道噪声系数定义为

(2)式中：NFj即为第j通道的单独噪声系数，不含其他通道的影响；k为波尔兹曼常数；B为通道带宽；T0为标准物理温度(290 K)；Gi为第i通道增益；Te,j为第j个通道产生的折算到输入端口的等效噪声温度。

2.3多端口T/R组件的单独通道噪声系数测试原理

根据前面分析可以看出，当含有网络时，单独T/R组件的噪声系数测试由于其他通道的噪声影响，无法直接测试。为了能独立测试各个通道的噪声系数，采用改变被测通道内衰减器的衰减值，测试两次的噪声系数，由两次的测试结果进行计算，从而得到独立通道的噪声系数。

第一步，如图1所示，被测端口和功分网络的输出口分别连接到噪声系数分析仪的相应端口上,被测试通道衰减器设置为0 dB。这时其他端口接匹配负载，相应的其他端口输入噪声应为N0=kT0。

图1　实验框图

由于其他通道的影响，这时测试到的噪声系数为

(3)

式中：NFj,1即为衰减器为0 dB时噪声系数分析仪测试到的第j通道的噪声系数；Gj,1为噪声系数分析仪测试到的第j通道的增益，Gj,1=Gj,LNAGj,x，Gj,LNA为输入端到衰减器端口的增益，Gj,x为衰减器输入端口到功分合成网络输出端口的增益；LC为衰减器输出端口到功分合成网络输出端口的等效衰减系数。

第二步，改变被测通道的衰减器衰减值，测试相应的噪声系数和增益。由于衰减器的变化，将会对输入的噪声起到衰减作用，同时其热耗也会带来噪声。因此，这时测得的噪声系数为

(4)

由式(3)和式(4)可以得到

(5)

(6)

由于

(7)

将式(7)代入式(6)并化简后得到

(8)

由于T/R通道在衰减器之前一般增益在25 dB以上，所以公式(8)的最后一项一般可以忽略，因此可以得到第j个通道的近似噪声系数

(9)

3　噪声系数测量误差分析

以上测试过程进行了一些近似，还有在测试时由于衰减器后的噪声不会随衰减器的变化而变化，所以不会被测到，因此这些因素会带来一些误差。经过分析，测试过程主要由3部分的误差构成，即衰减器改变导致的误差、多端口网络的影响和噪声系数测量误差。其中前两项为已定系统误差，由于较小，把其当作未定系统误差处理[6]。

3.1衰减器改变导致的误差

由式(7)可以得到，由于衰减器衰减值不为0时，其自身会产生噪声，但是在计算时并没有计算该噪声值，使得测试的噪声系数比实际噪声系数小1/Gj,LNA，一般增益设计为25 dB左右，所以对应有极限误差为-0.003 dB，由于其分量较小，当成未定系统误差处理，有

eA,NF=±0.003 dB。

(11)

3.2多端口网络的影响

在计算时，只能计算衰减器前的噪声，衰减器后的噪声由于不随衰减器的变化而变化，在计算时被当成了其他通道的噪声，一并抵消，所以该项也会带来一定的噪声。由于网络的热耗一般控制在1 dB左右，在Gj,LNA=25 dB时，NF=2 dB的前级放大器的情况下，级联后，考虑网络的损耗和不考虑网络的损耗噪声系数分别为2.002 dB和2 dB，因此误差为-0.002 dB。由于其分量较小，当成未定系统误差处理，有

eC,NF=±0.002 dB。

(12)

3.3NF和噪声系数测量误差

由测试公式(9)，当测试仪器采用Y因子法进行噪声系数测量时，增益和噪声的测量可以认为不相关。两次增益测试和噪声测试也按照不相关进行处理，该项误差作为随机误差处理，可以得到各个参数测试误差导致的NF测试总误差为

(12)

其中：

(13)

(14)

(15)

(16)

δlimNFj,1、δlimNFj,2、δlimGj,1、δlimGj,2分别为两次测试的噪声系数和增益的极限误差。按照目前商用一般的噪声分析仪测试精度指标±0.05 dB，矢量网络分析仪幅度测试精度±0.02 dB水平，以一个典型的T/R测试结果分析得到噪声系数测试精度为±0.09 dB。

3.4总误差

按照误差合成理论，总误差为未定系统误差与随机误差的方均根，即

(17)

根据以上分析可以看出，该测试方法可以得到较高精度的测试结果，满足工程应用需要。

4　实验验证

为了验证本测试方法的正确性，进行了一次验证实验。采用T/R和功分网络可以分开的器件，将其组装在一起进行了上面两步实验，得到单独通道的噪声系数，然后再单独测试T/R组件的噪声系数。由于功分接不接对T/R的噪声系数影响很小，可以将单独测试的结果作为噪声系数的真实值。两次测试结果进行比较，差异即为测试误差。单独通道测试的框图见图2。

图2　单独通道测试实验框图

按照上面3个步骤，对一个由8路T/R和一个功分网络加一个手动可变衰减器组成的电路进行了多通道合成情况下的单通道噪声系数测试和单独单通道的噪声系数测试，并将两种情况下的测试结果进行了对比。共测试了8个通道，每个通道测试13个频率点。表1给出了其中1个通道的测试数据和计算结果，其中行表示不同频率点的测试值，表1只给出了5个频率点的测试和处理数据。噪声系数分析仪器中频带宽参数设置为4 MHz，其他按照仪器默认设置。

表1　TR1 NF测试结果

将8个T/R、13个频率点共104组结果进行统计，得到标准差为0.03 dB。负向极限误差为-0.08 dB，正向极限误差为0.07 dB，正负误差0.01 dB的差异与分析的系统误差方向大小一致。以上实验采用的Agilent 8973噪声系数分析仪测试得到，其噪声系数精度为±0.05 dB，增益精度为±0.17 dB，分析出来的测量误差应为±0.5 dB，比测试结果要大，估计是由于测试过程中的增益和噪声系数是两次在不改变任何连接的情况下的测试，其测试精度会比指标高，所以计算出来的误差比实际测试出来的误差大。

5　结　论

本文提出的多端口T/R组件的单通道测试方法，利用衰减器的两次变化对通道噪声的影响，组建相应的方程组，可以消除其他通道的噪声影响，从而得到单独通道的噪声系数。在一个典型的测试应用中，测得的单通道噪声系数与参考值比较，最大误差为±0.08 dB，说明该方法完全可以应用于工程实践中，实现对多端口T/R的单通道的噪声系数的准确测试。由于不同于以前的只能得到等效的多端口网络的单通道噪声系数，本文方法能提供更为准确的测试结果，对高度集成化天线研制中测试单个通道的噪声性能具有重要意义。目前，该方法已成功应用于多个工程项目，实现了多端口网络单独通道噪声系数的测试。

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[2]ROHRDANTZ B,STARK A,HAWAMDAH E,et al.A circularly polarized antenna array with integrated calibration probes[C]//Proceedings of 2014 Asia-Pacific Microwave Conference(APMC). Sendai,Japan:IEEE,2014:462-464.

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GUO Chongxian. Phased array radar receiver technology[M].Beijing:National Defense Industry Press,2009：17-40.(in Chinese)

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[5]蒙国站,王世辉,陈立翔.多端口网络噪声系数测试方法[J].微波学报,2012,28(4):43-47.

MENG Guozhan,WANG Shihui,CHEN Lixiang.Noise figure measurement of multi-port network[J].Journal of Microwaves,2012,28(4):43-47.(in Chinese)

[6]费业泰. 误差理论与数据处理[M].合肥:合肥工业大学出版社，2015：59-81.FEI Yetai.Error theory and data processing[M].Hefei:Hefei University of Technology Press,2015：59-81.(in Chinese)

杨顺平(1976—)，男，四川岳池人，1999年于重庆大学获学士学位，2006年于电子科技大学获硕士学位，现为高级工程师，主要研究方向为天线校准和天线测量技术；

YANG Shunping was born in Yuechi,Sichuan Province,in 1976. He received the B.S.degree from Chongqing University and the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 1999 and 2006,respectively. He is now a senior engineer. His research concerns antenna measurement and calibration.

Email:blueysp@qq.com

杜艳(1985—)，女，四川绵阳人，2008年于西北工业大学获学士学位，2011年于北京航空航天大学获硕士学位，现为工程师，主要研究方向为天线校准和天线测量技术；

DU Yan was born in Mianyang,Sichuan Province,in 1985. She received the B.S.degree from Northwestern Polytechnical University and the M.S.degree from Beihang University in 2008 and 2011,respectively. She is now an engineer. Her research concerns antenna measurement and calibration.

Email:bella_1021_yi@sina.com

周太富(1987—)，男，四川崇州人，2009年于电子科技大学获学士学位，2012年于电子科技大学获硕士学位，现为工程师，主要研究方向为微波毫米波电路和相控阵收发组件。

ZHOU Taifu was born in Chongzhou,Sichuan Province,in 1987.He received the B.S.degree and the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2009 and 2012,respectively. He is now an engineer.His research concerns microwave and mimimeter wave circuit,T/R modules for phased array.

Email:taifuzhou@163.com

A Single-channel Noise Figure Measurement Method for Multi-port T/R Modules

YANG Shunping，DU Yan，ZHOU Taifu

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Because multi-port T/R module output noise is composed of all noise of the channels,it′s very difficult to measure one channel′s noise figure independently.A noise figure measurement method for multi-port T/R modules is put forward．To cancel the noise of other channels,the under-test channel′s attenuation is changed twice and noise figure is measured each time.An 8-channel T/R module is tested,and there is only 0.08 dB difference between two methods. The results are compared with the reference test data to demonstrate the correctness and reliability of the method.

phased array;T/R module；multi-port；single-channel noise figure measurement

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.10.019

2016-04-27；

2016-06-28Received date:2016-04-27；Revised date：2016-06-28

TN821.8

A

1001-893X(2016)10-1170-04

引用格式：杨顺平，杜艳，周太富.多端口T/R组件的单通道噪声系数测试方法[J].电讯技术，2016,56(10):1170-1173.[YANG Shunping，DU Yan，ZHOU Taifu.A single-channel noise figure measurement method for multi-port T/R modules[J].Telecommunication Engineering,2016,56(10):1170-1173.]

**通信作者：blueysp@qq.comCorresponding author：blueysp@qq.com