噪声相关技术正向太赫兹领域迈进

Andrew Laundrie, Eravant, formerly Sage Millimeter Inc.,

噪声源和噪声分析仪是测试和校准各种雷达、通信和测试系统的重要工具。它们对于表征单个组件和芯片级电子设备也至关重要。在 MHz 到 THz 的频率下，需要宽带噪声源来测量放大器和接收器的噪声性能。它们提供用于测试数字无线电和网络的信号，并且经常支持雷达和辐射接收器中的内置测试功能。放大噪声源通常用作电子对抗中的干扰信号，新兴应用包括气体和材料成分探测器以及宽带成像系统。

在毫米波和亚太赫兹频率下，电子噪声源通常使用有源设备结合匹配电路和衰减器或隔离器来将输出端口与标准阻抗或波导类型匹配。在最常见的配置中，电子噪声源提供两个校准的噪声功率级，用于测量接收器和各种其他类型的组件和系统的性能。当有源设备打开时会产生“热”噪声级，而当有源设备关闭时会产生“冷”噪声级。

理想噪声源会在平坦频谱上产生高斯随机噪声，且与参考端接的输出失配可忽略不计。许多同轴和波导噪声源可用于毫米波频率，其中许多可达 110 GHz。表1 显示了来自各个制造商的代表性噪声源的摘要。

在更高的频率下，选项会更少。幸运的是，现在越来越多地提供超过 200 GHz 频率的波导噪声源。图1 显示了 Eravant 的噪声源，其工作频率高达 270 GHz。电子噪声源通常与信号分析仪一起使用，以执行噪声系数测量。重要规格包括过量噪声比 (ENR) 平坦度和输出回波损耗。通常包括隔离器以改善输出匹配并稳定噪声输出水平。

图1 Eravant 噪声源。

热噪声源

自 1900 年马克斯·普朗克提出热辐射理论以来，热辐射源一直被用于校准。在毫米波和太赫兹频率下，匹配的终端通常用液氮冷却或用沸水加热以产生主要的噪声参考。然而，“干校正”通常用于解释传输线和热源与噪声接收器之间的信号路径中的任何其他因素所造成的噪声。⁶ 尽管存在这些复杂性，但热参考标准仍被广泛用于校准噪声源和接收器。

有热噪声标准和冷噪声标准可供选择，它们可以单独使用，也可以集成到功能更强大的噪声校准系统中。⁷ 冷参考源通常包括放置在绝缘杜瓦瓶内的同轴或波导终端。杜瓦瓶中充满了保持在沸点的液氮。调节加热器控制将冷终端连接到室温用户界面的同轴或波导传输线的温度曲线。图2 显示了此类精密噪声校准系统的一个示例。

图2 噪声校准系统，其参考终端浸入液氮中。来源：Maury Microwave。

热噪声标准通常以有效噪声温度为特征，该温度略高于或低于终端温度。信号路径中元件的噪声贡献可按公式 1 估算：

其中：TE 是元件的温度；G 是元件的增益因子

例如，在 200 K 温度下，增益系数为 0.99（衰减 0.04 dB）的传输线会使源的有效噪声温度增加 2 度。更严格的分析会将信号路径建模为具有不同温度的电路元件的级联。

冷热源也由吸波材料构成，并用精密温度控制器冷却。⁹ 此类结构辐射的热噪声通常通过天线耦合到接收器，两个单元都在无冷凝环境中运行。图3 显示了带有锥形毫米波吸收器的热噪声源。吸收器的温度由循环流体控制。

图3 带有锥形毫米波吸收器的热噪声源。来源：TK Instruments Ltd.

电子噪声源

一些最早的电子噪声源是用安装在波导内的气体放电管构造的。 气体放电管至今仍在使用，但已不那么常见了。最近，稀有气体中的激光诱导等离子体产生了极快的 THz 信号脉冲。光电二极管中的光混合也会产生 THz 信号。图4 显示了这一想法的功能性演示，其中当不同波长的光功率激发充满稀有气体的腔室中的等离子体时，就会产生 THz 脉冲。另一种 THz 噪声发生器将不同波长的多个光信号施加到高速光电二极管。光电二极管会混合超辐射发光 LED 产生的自发辐射噪声。虽然此类技术似乎处于早期开发阶段，但它们为适合实验室使用的 THz 噪声源即将问世带来了希望。

图4 光激发产生的太赫兹脉冲功能图。

到1970年代末，固态器件开始取代气体放电管。这些源利用雪崩二极管和其他半导体器件产生的散粒噪声。碳化硅雪崩二极管的最新发展有望提高信号源的高频性能。各种类型的场效应晶体管也可用于产生可控的宽带噪声水平。在毫米波和亚太赫兹频率下，合适的晶体管可能包括 GaAs FET、InP HEMT 和 GaN HEMT。当适当偏置时，此类器件可以产生显着的宽带噪声水平。

用于噪声系数测量的噪声源必须反复打开和关闭。源失配应该很小，更重要的是，在打开和关闭状态之间保持不变。根据源是打开（热）还是关闭（冷），可以观察到不同的噪声温度。噪声源通常以其 ENR 以及参考端接为特征；标称阻抗或标准波导尺寸。

ENR 定义了当源保持在参考温度 290 K 时热噪声水平相对于冷噪声水平的比例。 ENR 通常是一个与频率相关的量。对于噪声系数测量和许多其他应用，ENR 应尽可能平坦，源失配应尽可能小。

ENR 是选择噪声源时的一个重要考虑因素。根据经验法则，噪声源适用于测量高达 ENR 值加上约 10 dB 的噪声系数。¹对于较高的被测设备 (DUT) 噪声系数，热噪声信号和冷噪声信号的测得功率水平之间的差异太小而无法产生准确的结果。但是，应尽可能使用较低的 ENR，因为它往往可以避免过度驱动 DUT 和接收器。可用的噪声源的 ENR 值往往在 6 或 15 dB 左右。

噪声源校准

电子噪声源使用各种仪器进行校准，包括频谱分析仪、噪声系数计、信号分析仪和网络分析仪。任何合适的仪器都必须有一个灵敏的接收器，可以在足够的带宽内测量噪声水平，并具有足够的线性度和动态范围。对于自动测量，仪器还应能够控制两级噪声源，同时测量每个噪声级的接收功率。

许多旧型号的噪声系数分析仪（例如 Agilent N8970 系列）本质上是频谱分析仪，但附加了内置功能，可用于测量噪声功率级和执行噪声系数测量。较新的信号分析仪将频谱分析仪的传统功能与各种其他测量功能相结合，正迅速成为执行噪声测量的首选工具。表2 显示了一些较新的信号分析仪。

Y 因子法是一种成熟的测量技术，用于校准噪声接收器和噪声源。该方法使用一对噪声源或一个提供两种不同噪声水平的源。当 Y 因子以线性表示时，它等于接收器测量的热噪声功率除以冷噪声功率。

校准接收器时，通过在其输入端连接一个校准的噪声源进行 Y 因子测量，可获得其噪声系数。每次使用接收器时，通常都会重复测量，并且测量带宽发生变化或衰减或增益设置发生变化时，也一定会重复测量。接收器的幅度响应使用参考信号发生器、参考功率检测器和/或一组参考衰减器单独校准。幅度校准通常根据维护计划或操作环境发生重大变化时偶尔进行。

噪声接收器校准后，可使用它进行额外的 Y 因子测量并确定未校准噪声源的 ENR。参考标准的校准精度部分转移到噪声接收器，然后部分转移到未校准噪声源。分析测量不确定度的累积效应是与噪声源校准相关的较困难的任务之一。

Y 因子校准方法的优势在于其相对简单，并且在大多数情况下具有可接受的精度。可以快速获得功率比测量值，从而最大限度地减少接收器响应中温度漂移的影响。但是，基本的 Y 因子测量通常不会补偿失配效应和各种其他测量不确定性来源。

许多研究都集中于分析和提高噪声源校准的精度。建议的增强措施可以通过在测量和计算中投入更多精力来改善校准结果。通过补偿测量到的不匹配效应、接收器噪声参数和温度漂移，一项研究对 ENR 为 5 dB 的噪声源实现了 0.046 dB 的双西格玛校准精度。

冷源测量技术是作为 Y 因子法的替代方案而开发的。测量使用室温下匹配终端提供的单个参考噪声水平进行。冷源法依赖于了解 DUT 的散射参数。当后者包括失配补偿时，冷源测量的精度通常优于 Y 因子测量。此外，可以通过对连接到 DUT 输入的不同失配进行多次冷源噪声系数测量来获得 DUT 的最小噪声系数和噪声参数。

冷源噪声系数测量需要绝对噪声功率测量，因此需要更精确的接收器校准。还必须知道测量带宽。Y 因子法在一组测量中同时产生 DUT 的增益和噪声系数，而冷源噪声系数测量则需要独立的增益测量。

由于冷源噪声系数测量涉及的测量和数据处理比传统的 Y 因子方法多得多，因此它们通常使用完全集成和自动化的测试系统来执行。一些较新的矢量网络分析仪 (VNA) 型号具有执行冷源噪声系数测量的能力。这些 VNA 的示例如表3 所示。在超出 VNA 工作范围的频率下，Y 因子测量仍然是执行接收器校准、噪声源校准和噪声系数测量的最常用方法。

扩展频率覆盖范围

大多数测量射频噪声的接收器都是通过将输入信号转换为中频 (IF) 来实现的，然后对输入信号进行滤波、放大并馈送到平方律检测器或模拟数字转换器。要测量超出给定信号分析仪极限的频率的噪声，可以使用外部下变频器。许多通用下变频器都适合此任务。

如果下变频器使用固定的本振 (LO) 频率，则噪声接收器/分析仪的操作方式与测量较低频率信号时的操作方式基本相同。为了保持测量精度，下变频器的噪声系数应与噪声接收器的噪声系数相当。下变频器还应提供足够的镜像抑制和良好的杂散信号抑制。

许多专为扩展噪声分析仪的频率范围而构建的下变频器被设计用于接受分析仪提供的扫频 LO 信号。下变频器内的频率倍增器产生更高频率的 LO 信号。结果是反馈到分析仪的下变频信号的固定 IF。这种测量策略减少了噪声源和 IF 幅度检测器之间的频率转换次数，从而降低了测量不确定性。

为扩展噪声系数分析仪的频率范围而设计的下变频器通常配有匹配的校准噪声源。现有型号提供高达 270 GHz 的全波段覆盖。可用型号通常提供全波导波段覆盖，覆盖频率高达 170 GHz。此设置的一个示例如图5 所示。

图5 噪声系数分析仪的频率扩展器。

结论

噪声产生和测量的基本方面仍然牢固地扎根，而噪声源和仪器则朝着 THz 能力发展。在高达约 110 GHz 的频率下，多家制造商都提供测量噪声所需的噪声源和仪器。在更高的频率下，行业支持有点难以找到。幸运的是，较新的源可产生 200 GHz 以上的噪声信号，而较新的技术可能很快就会提供 THz 频率的高质量噪声源。同时，高性能下变频器可用于扩展现有噪声测量工具的频率覆盖范围。

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