频谱仪的本底噪声对天线噪声温度测量的影响

吴伟伟，秦顺友(中国电子科技集团公司第五十四研究所， 河北 石家庄 050081)

频谱仪的本底噪声对天线噪声温度测量的影响

吴伟伟，秦顺友
(中国电子科技集团公司第五十四研究所， 河北 石家庄 050081)

频谱仪广泛应用于射频信号测量。简述了频谱仪灵敏度与噪声系数的基本概念。分析了频谱仪本底噪声对噪声信号测量的影响，论述了频谱仪噪声功率测量误差的修正计算方法，给出了测量噪声功率比与修正因子的关系曲线。以地面站天线噪声温度测量为例，简述了Y因子法测量地面站天线噪声温度的基本原理。导出了测量Y因子的修正计算公式，从而实现对天线噪声温度测量的修正。最后，以C波段13m车载天线噪声温度测量为例，说明频谱仪本底噪声对地面站天线噪声温度测量的影响。

频谱仪；噪声系数；灵敏度；本底噪声；修正因子；Y因子；天线噪声温度测量

0 引言

频谱分析仪是用来测量射频信号幅度和频率的仪器，广泛应用于无线电技术的各个领域[1-2]，例如：移动通信、卫星通信、广播电视、空间科学、侦察与干扰、电磁干扰与电磁兼容等领域。频谱分析仪可对各种类型的信号进行测量和分析时，可测量信号的不同特性，如可测量射频信号传输增益衰减特性、信号幅度和频率特性、信号失真特性、信号噪声边带和和相位噪声特性等。当用频谱仪测量的噪声信号时，由于频谱分析仪内部噪声信号的影响，使测量噪声信号电平高于实际的噪声信号电平，特别是测量噪声信号电平接近频谱分析仪的本底噪声时，其测量误差更大[3-4]。本文论述了频谱仪测量噪声功率时，频谱仪本底噪声的影响以及修正因子计算方法，研究了频谱仪本底噪声对地面站天线噪声温度测量的影响。

1 频谱仪灵敏度与噪声系数

噪声系数定义为射频或微波器件的输入信噪比与输出信噪比的之比，用公式表示为[5]：

(1)

式中：NF-频谱仪的噪声系数；Sin-频谱仪的输入信号功率；Nin-频谱仪的输入噪声功率；Sout-频谱仪的输出信号功率；Nout-频谱仪的输出噪声功率。

对于频谱仪来说，其测量的输出信号功率Sout等于输入信号功率Sin，则式(1)可简化为：

(2)

式(2)用分贝表示为：

NF=10×log(Nout)-10×log(Nin)

(3)

频谱仪输入端的噪声功率可表示为：

Nin=kT0B

(4)

式中：k-波尔兹曼常数，k=1.38×10-23(J/K)；B-频谱仪的噪声带宽(Hz)；T0-环境温度(K)。

由式(3)和式(4)可得频谱仪用分贝表示的输出噪声功率为：

Nout=NF+10×log(kT0B)

(5)

式(5)就是在一定带宽情况下，频谱仪的输出噪声功率。频谱分析仪灵敏度是指在一定带宽情况下，频谱仪测量最小信号的能力，实际上就是频谱分析仪显示的平均噪声信号电平，用DNAL表示。它与频谱仪噪声系数的关系为：

DNAL=NF+10×log(kT0B)

(6)

式(6)是频谱分析仪灵敏度的计算公式，该公式没有考虑频谱分析仪的射频输入衰减，即频谱仪的射频输入衰减ATTEN等于0dB。对于一般的微波频谱仪，其测量信号的噪声带宽近似等于1.2倍的频谱仪分辨带宽RBW，当环境温度T0=290K，并考虑频谱仪射频输入衰减，则式(6)可进一步表示为：

DNAL=-174+NF+10×log(1.2×RBW)+ATTEN

(7)

例如Agilent 8563EC频谱仪在射频输入衰减ATTEN为0dB，频谱仪分辨带宽等于1Hz，工作频段在22～26.5GHz时，频谱仪的噪声系数为34.21dB，则由式(7)可计算得频谱仪的灵敏度为-139dBm。

2 频谱仪测量噪声功率的修正

用频谱仪测量信号时，通常是没有考虑仪器内部噪声的影响。实际上频谱仪测量的信号叠加了内部噪声信号，从而使测量信号电平高于实际信号电平，引起测量误差，特别是当测量信号接近仪器本底噪声时，测量误差更大。因此，为了精确测量信号电平，应考虑频谱仪本底噪声对测量结果的影响。

我们定义频谱仪测量噪声功率与本底噪声功率之比，称为测量噪声功率比，用NRmea表示；实际噪声功率与本底噪声功率之比，称为实际噪声功率比，用NRact表示。则用分贝表示的测量噪声功率比和实际噪声功率比NRact分别为：

NRmea=Nmea-Nfloor

(8)

NRact=Nact-Nfloor

(9)

式中：Nmea-频谱仪测量的噪声功率(dBm)；Nfloor-频谱仪的本底噪声功率(dBm)；NRact-实际的噪声功率(dBm)。

由测量噪声功率比NRmea，用下式计算实际噪声功率比[6-7]：

(10)

噪声功率测量的修正因子CF定义为：

CF=NRmea-NRact

(11)

将式(10)带入式(11)可得：

(12)

式(10)物理意义是由频谱仪测量的噪声功率比可计算出实际的噪声功率比，从而由式(11)或式(12)可计算修正因子的大小。图1给出了测量噪声功率比与修正因子的关系曲线。显然，由频谱仪测量的噪声功率比，利用图1可确定修正因子CF的大小，对频谱仪测量的噪声功率进行修正，可得实际的噪声功率为：

Nact=Nmea-CF

(13)

由图1可知：只要知道频谱仪测量的噪声功率比，就可确定修正因子的大小，从而对频谱仪测量的噪声功率进行修正。例如当测量的频谱仪本底噪声功率为-90dBm，测量的噪声信号功率为-80dBm，可得测量的噪声功率比为10dB，由图1可确定修正因子为0.458dB，则考虑频谱仪本机噪声的影响，实际的噪声功率电平为-80.458dBm；图1还表明：当频谱仪测量的噪声功率功率比大于或等于20dB时，修正因子很小，在实际工程测量中可忽略不计。

图1 频谱仪测量噪声功率比与修正因子的关系曲线

3 频谱仪测量天线噪声温度的方法及修正

地面站天线噪声温度常用Y因子法进行测量[8-9]，Y因子实质上就是测量的噪声功率比，由于频谱仪本底噪声的影响，引起噪声功率测量误差，从而引起天线噪声温度测量误差。

图2所示，为频谱仪测量地面站天线噪声温度的原理框图。

图2 频谱仪测量地面站天线噪声温度的原理框图

利用Y因子法测量天线噪声温度的原理方法是：按照图2建立测试系统，首先将低噪声放大器输入端口接常温负载，频谱仪测量的噪声功率为Nload[dBm]；然后去掉常温负载，将低噪声放大器LNA切换到待测地面站天线上，且驱动待测地面站天线的方位或俯仰，使地面站天线指向晴空，且天线仰角为天线噪声温度规定测量角度上，保持频谱仪的中心频率、分辨带宽、视频带宽和扫描时间等状态参数不变，同理用频谱仪测量的噪声功率为Nant[dBm]。依据Y因子定义可得[9]：

(14)

Y=10(Nload-Nant)/10

(15)

式中：T0-地面站天线的环境噪声温度(K)；TLNA-LNA的噪声温度(K)；Tant-待测地面站天线的噪声温度(K)。

由式(14)可求得待测地面站天线的噪声温度为：

(16)

式(16)就是频谱仪测量天线噪声温度原理公式。实际上该公式(16)确定的天线噪声温度没有考虑频谱仪内部噪声的影响。为了精确测量地面站天线噪声温度，应对频谱仪本底噪声引起天线噪声温度的测量误差进行修正。由测量的天线噪声功率比和负载噪声功率比，由公式(12)或图1确定的修正因子分别为CFant和CFload。则修正后的天线噪声功率和负载噪声功率分别为：

(17)

(18)

由式(17)和式(18)可得用分贝表示的修正Y因子为：

(19)

考虑频谱仪本底噪声的影响，修正的地面站天线噪声温度测量的公式为：

(20)

这里给出了用频谱仪测量C波段13m车载天线噪声温度的工程实例。已知实验所使用仪器为Agilent 8563EC高性能频谱分析仪，使用的C波段低噪声放大器的噪声温度为40K，测量时地面站天线的环境温度为300K，测试频率为4GHz。测量时频谱分析仪的主要状态参数设置如下：

频谱仪的参考电平： -40dBm

频谱仪的中心频率： 4GHz

频谱仪射频输入衰减： 0dB

频谱仪的分辨带宽： 1MHz

频谱仪的视频带宽： 1kHz

频谱仪的扫频宽度： 0Hz

频谱仪的扫描时间： 20sec

按照上述参数设置频谱仪，测量的频谱仪本底噪声功率为-88.01dBm；当天线仰角为30°时，测量的地面站天线噪声功率为-74.30dBm；低噪声放大器接常温负载时测量的噪声功率为-67.75dBm。首先，忽略频谱仪本底噪声影响，由式(16)计算天线噪声温度为：

(21)

然后，考虑频谱仪本底噪声对地面战天线噪声温度测量的影响，由测量噪声功率和本底噪声功率计算测量噪声功率比，从而确定修正Y因子的大小，由式(20)计算修正天线噪声温度为：

(21)

由式(21)和式(22)计算结果可知：频谱仪本底噪声引起的测量误差为2.53K。由此可见：要精确测量地面站天线噪声温度，应考虑频谱仪本底噪声对地面站天线噪声温度的影响。

4 结束语

用频谱仪测量噪声功率信号时，由于频谱仪本底噪声的影响以及其内部失真分量，从而使测量噪声功率信号大于实际噪声功率信号。本文简述了频谱仪噪声系数和灵敏度的基本概念。分析了频谱仪本底噪声对噪声功率测量的影响，给出了测量噪声功率比与修正因子的关系曲线。以地面站天线噪声温度测量为例，简述了Y因子法测量地面站天线噪声温度的基本原理，研究了频谱仪本底噪声对天线噪声温度测量的影响。该文对于扩展频谱仪测量应用及噪声功率的精确测量具有重要的参考价值。

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[7] 秦顺友. 频谱仪测量低电平信号的应用研究[J].电子测量与仪器学报,2009,(S1):51-55.

[8] GJB 1900A-2006.卫星通信地面侦察系统测量方法[S].

Effect of spectrum analyzer floor noise on antenna noise temperature measurement

WU Wei-wei, QIN Shun-you
(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Spectrum analyzers are widely used for RF signal measurements. Basic concepts of sensitivity and noise factor are described simply for spectrum analyzer. Effect of spectrum analyzer floor noise on noise signal measurement is analyzed, and correction calculation method of noise power measurement error is described using spectrum analyzer, and relationship curve of measured noise power ratio and correction factor are given. Example for the earth station antenna noise temperature measurement, basic principle of the earth station antenna noise temperature is described simply using Y-factor method. Correction calculation formula of measuring Y-factor is deduced, and correction of antenna noise temperature measurement is achieved.At last, example for C-band 13-metre vehicle antenna noise temperature measurement, effect of spectrum analyzer floor noise on the earth station antenna noise temperature measurement is explained.

Spectrum analyzer；Noise factor；Sensitivity；Floor noise；Correction factor；Y-factor；Antenna noise temperature measurement

2017-06-29

吴伟伟 (1982-)，女，河北藁城人，工程师.目前主要从事天线调试、检修和测量工作.

1001-9383(2017)02-0028-06

TN820

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