董 帅，王振占，贺秋瑞

（1.中国科学院国家空间科学中心微波遥技术重点实验室，北京100190；2.中国科学院大学 北京100190）

有源微波冷噪声源技术研究进展

董 帅1，2，王振占1，贺秋瑞1，2

（1.中国科学院国家空间科学中心微波遥技术重点实验室，北京100190；2.中国科学院大学 北京100190）

介绍了微波冷噪声原理，系统阐述了有源微波冷噪声源设计方法，重点分析了关键设计环节对噪声源性能产生的影响，梳理了国内外有源微波冷噪声源技术的发展历程和最新进展，分析了采用有源微波冷噪声源进行微波辐射计两点定标的重要意义、应用方案和技术优势。

有源微波冷噪声源；微波辐射计；定标；HEMT

有源微波冷噪声源（ActiveColdNoiseSource，ACNS）又被称为有源微波冷负载（Active Cold Load，ACL），是一种以微波场效应晶体管（FET）为核心噪声发生元件的新型微波噪声源。1975年Pucel提出了完整的FET等效电路模型[1]，在此基础上，Frater于1981年设想了一种以FET漏极端接终端负载，栅极输出微波噪声的电路形式，并分析出该种电路可以在常温条件下输出等效噪声温度极低的微波噪声 （理论最低可至50 K）[2]。为区别于电阻形式产生的热噪声，Pucel将FET产生的噪声命名为“冷”噪声，并预言了这种冷噪声源的三大应用：为低噪声接收机进行噪声测量时提供冷负载；作为三端环形器的冷终端以降低天线等的失配；在微波辐射测量领域作为微波辐射计的冷参考负载与天线测得的低温亮温进行比对。根据这一设想，美Dunleavy在1997年成功研制出第一个实用的有源微波冷噪声源，该噪声源以InP HEMT管为核心，在K波段实现了105 K的亮温输出[3]。

相比于传统的采用液氮制冷的冷噪声源，有源微波冷噪声源工作于常温条件，体积小，重量轻，无需定期加注制冷剂和附加各种保温隔热除霜装置。此种噪声源适用于各种无后勤保障的野外场合，具有巨大的技术优势，近年来受到国内外广泛重视。

1 微波冷噪声理论及有源微波冷噪声源设计

图1以场效应管双端口微波网络噪声模型，根据改进的微波冷噪声理论[4]，平面1处向系统方向入射的噪声温度为：

其中，T2为负载温度，T1是与晶体管输入端相连的系统的温度。G12和G21是由晶体管S参数计算得到的正向（自栅极向漏极）和反向（自漏极向栅极）功率增益，而Ta、Tb则为：

图1 双端口微波网络噪声模型

其中，Te（min）=T0（NFmin-1），Tk=4T0RnGopt。 而 Rn和Gopt分别为晶体管的等效噪声电阻和最佳噪声电导。

Γ’opt为非最佳噪声匹配状态下的实际值，其与Γopt的关系为：

在实际研制过程中，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*in=Γopt，从而 Γ′opt= 0。在此条件下简化Ta、Tb，并代入式（1）中，得到新的Ts，1表达式对|ΓL|求偏导得：

，此时Ts，1取得极值即最小值。在此条件下，这种以场效应管为核心的微波电路可以向外输出最低的噪声温度。

上述分析表明，求解Ts，1最小值可转化为求解

|ΓL|的最小值问题。

根据双端口微波网络噪声理论，在最佳噪声匹配的条件下有：

应当注意的是，式（6）里的S参数为以平面3和平面4作为网络端口时的物理量。由式（6），设计目标转化为调节平面3/4间的S参数矩阵使得

|ΓL|最小，则最终可以输出最低等效温度的微波冷噪声。由此得到有源微波冷噪声源核心电路的拓扑结构如下：

根据上述理论分析，整个设计过程可以总结为：

1）选择满足条件的场效应管；

2）根据场效应管本征参数设计直流供电电压、静态工作点和直流偏置网络；

图2 有源微波冷噪声源核心电路拓扑结构

3）根据此静态工作点下场效应管的等效输入阻抗设计源极电感反馈；

4）设计漏极端阻抗匹配网络降低负载温度T2对输入端口噪声温度的贡献；

5）设计栅极端阻抗匹配网络使之同时达到功率匹配条件和最小噪声匹配条件；

6）对直流通路与交流通路进行隔离。

上述步骤可以反复迭代，以找到最佳方案。

2 有源微波冷噪声源国内外研究现状

对有源微波冷噪声源的研究最早始于1981年。在FET等效电路模型出现后，研究人员发现，FET输入阻抗的表现形式为一个起较大贡献的电容串联一个起较小贡献的电阻，这种输入端阻抗形式有一个潜在意义：如果在源极串联一个无噪的电感器与等效阻抗中的电容谐振，则只有总输入阻抗的一部分为电路贡献了噪声——此时这种元件的等效噪声温度将远远小于其所在的环境温度[2]。以此为理论依据，一种以MESFET场效应管为有源核心的冷噪声源电路构想被提出。进一步的理论分析证明，基于MESFET电路模型推导而出的小信号模型具有潜在的“冷”噪声输出能力，在某些频段输出的等效噪声温度接近50K天线温度。研究人员将这种有源电路的特性称为 “ColdFET”能力，并预言其可以作为Dicke型辐射计的参考负载。

由于采用小信号模型得到的电路与此类噪声源的微波领域应用有较大的分析差异，此后的十年中中这种噪声源的研究进展较为缓慢，直到1991年NIST的研究人员提出了一种改进的双端口负载理论。这种理论采用了微波网络分析方法，描述了在输出端采用匹配负载终端时，在输入端可能获得的噪声温度[4]，由于该理论中完全采用S参数矩阵作为分析手段，可以直接与各类微波网络协同，因而更利于此类噪声源的研制和应用。1997年，美国南佛罗里达大学研究人员以InP HEMT管为核心，成功研制出第一个实用的有源微波冷噪声源器件，在K波段实现了105 K的亮温输出[3]。

进入新世纪后，国外对有源微波冷噪声源的研究日趋深入。2000年，诞生了第一片此类微波冷噪声源的微波单片集成电路（MMIC）：在2～10 GHz频带内实现了90 K的亮温输出[5]。2010年，法国国家科学院的研究团队采用HBT管研制了工作于1 400～1 427 MHz频段的噪声源，实现了低至65 K的输出亮温[6-8]，这是首例采用双极型晶体管研制的ACNS，拓展了ACNS的研制手段。2013年美国科研人员研制了在1.3～1.5 GHz频段内输出90 K亮温的微波冷噪声源单片器件[9]，并用于微波辐射计定标。近几年国外各研究机构相关成果的集中爆发表明其在这一领域的技术已日臻成熟。图3为美国研究团队研制的单片集成电路结构。

图3 L波段ACNS单片电路结构图

相比于国外研究的高速发展，目前，国内对这一领域的研究尚显不足，迄今为止仅有1994年华中科技大学研究人员的一篇文献进行了跟踪研究[10]。国内外在此领域的巨大差距急需弥补。

3 有源微波冷噪声源应用与微波辐射计定标

有源微波冷噪声源能够向测量系统馈入低等效温度噪声信号的特性使其在微波辐射计定标领域有着巨大的应用价值。微波辐射计是一种被动式微波遥感器，其自身不发射电磁波，而是通过天线接收观测视场内目标发射、反射的电磁波信号。微波辐射计在大气温湿度监测，海洋表面温盐、冰盖及风场探测，地表湿度与植被探查，和行星探测等诸多领域有重要作用，是微波遥感的主要手段之一[11-12]。

在微波辐射计研制及应用过程中，辐射计定标是最为重要的环节之一，定标是建立辐射计输出电压与天线口面视在亮温间函数关系的过程，定标精度直接影响微波辐射计灵敏度和测量精度[13]。目前，辐射计系统多设计为线性系统，即输出电压与视在亮温呈线性函数关系，因此可采用两点确定一线的两点定标法进行定标，这就要求定标过程需要至少两个参考定标点：一个高温定标点，一个低温定标点[14]。为了最大限度的保证辐射计定标的准确性和精度，两个定标点所涵盖的范围应该尽量覆盖辐射计潜在探测目标的亮温区域。通常，辐射计所探测目标的亮温值范围在30～350 K之间，故理想的高温定标点亮温应当高于350 K，而理想的低温定标点亮温应当低于30 K。

处于350 K附近的高温定标点的获取较为简便，而低温定标点则由于受到种种环境条件制约而选择范围有限。出啊通的低温定标源主要有自然噪声源和液氮制冷人工噪声源两种。自然噪声源的典型代表是由宇宙微波背景辐射产生的冷空，在较宽的微波频带内，宇宙微波背景辐射产生均匀的2.725K的辐射亮温，是一种理想的低温定标源，然而其只能用于星载条件，而地基辐射计观测冷空时受到大气辐射传输的影响而难以准确估计[15]。液氮制冷人工噪声源主要包括液氮制冷黑体和液氮制冷匹配负载亮类，原理均为利用低物理温度产生低辐射亮温，此类制冷定标源原理直接、技术可靠，但是有体积大、质量重、维护不便等不足，在野外、机载、星载环境时使用成本高昂。而且，在面对低频段的大口面天线时，这种噪声源很难实现覆盖整个天线口面的温度均匀性[16]。

在以上两类传统低温定标源无法使用的情况下，微波辐射计实时定标过程仅能依靠常温定标点和高温定标点。这种仅在相对高温区设置定标点的定标方法会在探测低温目标时产生较大的误差，图4反映了这种由于低温定标点的缺失所引起的误差增大现象。

图4 微波辐射计两点定标原理图

图4（a）表示了没有低温定标点时的情况，（b）则表示了加入低温定标点时的情况，图中点划线代表定标所得理想曲线，实线代表辐射计真实的输入-输出关系曲线，两者之间的差异是由辐射计自身非线性导致的。（a）、（b）两图的对比说明了，在没有低温定标点时，定标值与真实值的偏差在低温段明显增大；而引入低温定标点后，则可以更好的矫正定标曲线，在整个观测范围内有效控制定标偏差。

因此，可以在多种环境条件下为微波辐射计提供低温定标点的有源微波冷噪声源技术得到国外了广泛重视。与之前传统低温定标源不同，有源微波冷噪声源作为一个固态微波电路器件，体积小、重量轻，工作于常温条件无需制冷剂，不要求复杂的使用条件，可以方便地装配于接收机前端，广泛适用于多种应用场合。装配有此种噪声源的微波辐射计可以实时地获取定标低点，进行大量程差内定标，实时确定辐射计各通道传输特性，尽量减小环境参数引起的不可预估误差。

采用有源微波冷噪声源进行辐射计实时两点定标的原理图如图5所示，在接收机前端接微波开关，按控制时序交替的切换至天线馈线、高温定标源、低温定标源之间，以Th、Tc作两点定标，则可求得天线口面观测亮温TA。

图5 微波辐射计接收机系统两点定标示意图

4 结 论

有源微波冷噪声源是在场效应管等效电路模型和双端口微波网络噪声理论基础上发展而出的新型微波噪声源器件。微波场效应管独特的阻抗和噪声特性使得以其为核心的有源微波冷噪声源可以输出远低于自身所处环境温度的在噪声亮温，是一种性能优良的微波辐射计内定标低温源。

文中系统梳理了有源微波冷噪声源的发展现状，阐明了其作为微波辐射计内定标低温源的巨大技术优势。通过对有源微波冷噪声源工作原理和关键技术的分析，提出了一种有源微波冷噪声源设计方法。我们将继续展开对有源微波冷噪声源的研究工作，为我国相关技术研究起参考作用。

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Research progress on active cold noise source

DONG Shuai1，2，WANG Zhen-zhan1，HE Qiu-rui1，2
（1.CAS Key Lab.of Microwave Remote Sensing，National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

The theory of microwave cold noise is explained.A new type of microwave noise source is introduced，which is called active cold noise source.A design procedure capable of achieving a minimum noise temperature at a specific bias point is described.The research progress on active cold noise source is teased.The application of active cold noise source is discussed，and an instance that using active cold noise source as radiometer calibration reference standard is presented.

active cold noise source；microwave radiometer；calibration；HEMT

TP732.1

：A

：1674－6236（2017）03-0167-04

2016-03-07稿件编号：201603082

国家空间科学背景型号重点项目（XDA04061202）

董 帅（1988—），男，山东烟台人，博士研究生。研究方向：微波辐射计系统，定标技术。