董 帥，王振占，賀秋瑞

（1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙技術(shù)重點實驗室，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京100190）

有源微波冷噪聲源技術(shù)研究進展

董 帥1，2，王振占1，賀秋瑞1，2

（1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙技術(shù)重點實驗室，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京100190）

介紹了微波冷噪聲原理，系統(tǒng)闡述了有源微波冷噪聲源設(shè)計方法，重點分析了關(guān)鍵設(shè)計環(huán)節(jié)對噪聲源性能產(chǎn)生的影響，梳理了國內(nèi)外有源微波冷噪聲源技術(shù)的發(fā)展歷程和最新進展，分析了采用有源微波冷噪聲源進行微波輻射計兩點定標的重要意義、應(yīng)用方案和技術(shù)優(yōu)勢。

有源微波冷噪聲源；微波輻射計；定標；HEMT

有源微波冷噪聲源（ActiveColdNoiseSource，ACNS）又被稱為有源微波冷負載（Active Cold Load，ACL），是一種以微波場效應(yīng)晶體管（FET）為核心噪聲發(fā)生元件的新型微波噪聲源。1975年P(guān)ucel提出了完整的FET等效電路模型[1]，在此基礎(chǔ)上，F(xiàn)rater于1981年設(shè)想了一種以FET漏極端接終端負載，柵極輸出微波噪聲的電路形式，并分析出該種電路可以在常溫條件下輸出等效噪聲溫度極低的微波噪聲 （理論最低可至50 K）[2]。為區(qū)別于電阻形式產(chǎn)生的熱噪聲，Pucel將FET產(chǎn)生的噪聲命名為“冷”噪聲，并預(yù)言了這種冷噪聲源的三大應(yīng)用：為低噪聲接收機進行噪聲測量時提供冷負載；作為三端環(huán)形器的冷終端以降低天線等的失配；在微波輻射測量領(lǐng)域作為微波輻射計的冷參考負載與天線測得的低溫亮溫進行比對。根據(jù)這一設(shè)想，美Dunleavy在1997年成功研制出第一個實用的有源微波冷噪聲源，該噪聲源以InP HEMT管為核心，在K波段實現(xiàn)了105 K的亮溫輸出[3]。

相比于傳統(tǒng)的采用液氮制冷的冷噪聲源，有源微波冷噪聲源工作于常溫條件，體積小，重量輕，無需定期加注制冷劑和附加各種保溫隔熱除霜裝置。此種噪聲源適用于各種無后勤保障的野外場合，具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢，近年來受到國內(nèi)外廣泛重視。

1 微波冷噪聲理論及有源微波冷噪聲源設(shè)計

圖1以場效應(yīng)管雙端口微波網(wǎng)絡(luò)噪聲模型，根據(jù)改進的微波冷噪聲理論[4]，平面1處向系統(tǒng)方向入射的噪聲溫度為：

其中，T2為負載溫度，T1是與晶體管輸入端相連的系統(tǒng)的溫度。G12和G21是由晶體管S參數(shù)計算得到的正向（自柵極向漏極）和反向（自漏極向柵極）功率增益，而Ta、Tb則為：

圖1 雙端口微波網(wǎng)絡(luò)噪聲模型

其中，Te（min）=T0（NFmin-1），Tk=4T0RnGopt。 而 Rn和Gopt分別為晶體管的等效噪聲電阻和最佳噪聲電導(dǎo)。

Γ’opt為非最佳噪聲匹配狀態(tài)下的實際值，其與Γopt的關(guān)系為：

在實際研制過程中，匹配電路的設(shè)計均要求場效應(yīng)管處于最佳噪聲狀態(tài)，此時 Γ*in=Γopt，從而 ?！鋙pt= 0。在此條件下簡化Ta、Tb，并代入式（1）中，得到新的Ts，1表達式對|ΓL|求偏導(dǎo)得：

，此時Ts，1取得極值即最小值。在此條件下，這種以場效應(yīng)管為核心的微波電路可以向外輸出最低的噪聲溫度。

上述分析表明，求解Ts，1最小值可轉(zhuǎn)化為求解

|ΓL|的最小值問題。

根據(jù)雙端口微波網(wǎng)絡(luò)噪聲理論，在最佳噪聲匹配的條件下有：

應(yīng)當注意的是，式（6）里的S參數(shù)為以平面3和平面4作為網(wǎng)絡(luò)端口時的物理量。由式（6），設(shè)計目標轉(zhuǎn)化為調(diào)節(jié)平面3/4間的S參數(shù)矩陣使得

|ΓL|最小，則最終可以輸出最低等效溫度的微波冷噪聲。由此得到有源微波冷噪聲源核心電路的拓撲結(jié)構(gòu)如下：

根據(jù)上述理論分析，整個設(shè)計過程可以總結(jié)為：

1）選擇滿足條件的場效應(yīng)管；

2）根據(jù)場效應(yīng)管本征參數(shù)設(shè)計直流供電電壓、靜態(tài)工作點和直流偏置網(wǎng)絡(luò)；

圖2 有源微波冷噪聲源核心電路拓撲結(jié)構(gòu)

3）根據(jù)此靜態(tài)工作點下場效應(yīng)管的等效輸入阻抗設(shè)計源極電感反饋；

4）設(shè)計漏極端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)降低負載溫度T2對輸入端口噪聲溫度的貢獻；

5）設(shè)計柵極端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)使之同時達到功率匹配條件和最小噪聲匹配條件；

6）對直流通路與交流通路進行隔離。

上述步驟可以反復(fù)迭代，以找到最佳方案。

2 有源微波冷噪聲源國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對有源微波冷噪聲源的研究最早始于1981年。在FET等效電路模型出現(xiàn)后，研究人員發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ET輸入阻抗的表現(xiàn)形式為一個起較大貢獻的電容串聯(lián)一個起較小貢獻的電阻，這種輸入端阻抗形式有一個潛在意義：如果在源極串聯(lián)一個無噪的電感器與等效阻抗中的電容諧振，則只有總輸入阻抗的一部分為電路貢獻了噪聲——此時這種元件的等效噪聲溫度將遠遠小于其所在的環(huán)境溫度[2]。以此為理論依據(jù)，一種以MESFET場效應(yīng)管為有源核心的冷噪聲源電路構(gòu)想被提出。進一步的理論分析證明，基于MESFET電路模型推導(dǎo)而出的小信號模型具有潛在的“冷”噪聲輸出能力，在某些頻段輸出的等效噪聲溫度接近50K天線溫度。研究人員將這種有源電路的特性稱為 “ColdFET”能力，并預(yù)言其可以作為Dicke型輻射計的參考負載。

由于采用小信號模型得到的電路與此類噪聲源的微波領(lǐng)域應(yīng)用有較大的分析差異，此后的十年中中這種噪聲源的研究進展較為緩慢，直到1991年NIST的研究人員提出了一種改進的雙端口負載理論。這種理論采用了微波網(wǎng)絡(luò)分析方法，描述了在輸出端采用匹配負載終端時，在輸入端可能獲得的噪聲溫度[4]，由于該理論中完全采用S參數(shù)矩陣作為分析手段，可以直接與各類微波網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，因而更利于此類噪聲源的研制和應(yīng)用。1997年，美國南佛羅里達大學(xué)研究人員以InP HEMT管為核心，成功研制出第一個實用的有源微波冷噪聲源器件，在K波段實現(xiàn)了105 K的亮溫輸出[3]。

進入新世紀后，國外對有源微波冷噪聲源的研究日趨深入。2000年，誕生了第一片此類微波冷噪聲源的微波單片集成電路（MMIC）：在2～10 GHz頻帶內(nèi)實現(xiàn)了90 K的亮溫輸出[5]。2010年，法國國家科學(xué)院的研究團隊采用HBT管研制了工作于1 400～1 427 MHz頻段的噪聲源，實現(xiàn)了低至65 K的輸出亮溫[6-8]，這是首例采用雙極型晶體管研制的ACNS，拓展了ACNS的研制手段。2013年美國科研人員研制了在1.3～1.5 GHz頻段內(nèi)輸出90 K亮溫的微波冷噪聲源單片器件[9]，并用于微波輻射計定標。近幾年國外各研究機構(gòu)相關(guān)成果的集中爆發(fā)表明其在這一領(lǐng)域的技術(shù)已日臻成熟。圖3為美國研究團隊研制的單片集成電路結(jié)構(gòu)。

圖3 L波段ACNS單片電路結(jié)構(gòu)圖

相比于國外研究的高速發(fā)展，目前，國內(nèi)對這一領(lǐng)域的研究尚顯不足，迄今為止僅有1994年華中科技大學(xué)研究人員的一篇文獻進行了跟蹤研究[10]。國內(nèi)外在此領(lǐng)域的巨大差距急需彌補。

3 有源微波冷噪聲源應(yīng)用與微波輻射計定標

有源微波冷噪聲源能夠向測量系統(tǒng)饋入低等效溫度噪聲信號的特性使其在微波輻射計定標領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價值。微波輻射計是一種被動式微波遙感器，其自身不發(fā)射電磁波，而是通過天線接收觀測視場內(nèi)目標發(fā)射、反射的電磁波信號。微波輻射計在大氣溫濕度監(jiān)測，海洋表面溫鹽、冰蓋及風(fēng)場探測，地表濕度與植被探查，和行星探測等諸多領(lǐng)域有重要作用，是微波遙感的主要手段之一[11-12]。

在微波輻射計研制及應(yīng)用過程中，輻射計定標是最為重要的環(huán)節(jié)之一，定標是建立輻射計輸出電壓與天線口面視在亮溫間函數(shù)關(guān)系的過程，定標精度直接影響微波輻射計靈敏度和測量精度[13]。目前，輻射計系統(tǒng)多設(shè)計為線性系統(tǒng)，即輸出電壓與視在亮溫呈線性函數(shù)關(guān)系，因此可采用兩點確定一線的兩點定標法進行定標，這就要求定標過程需要至少兩個參考定標點：一個高溫定標點，一個低溫定標點[14]。為了最大限度的保證輻射計定標的準確性和精度，兩個定標點所涵蓋的范圍應(yīng)該盡量覆蓋輻射計潛在探測目標的亮溫區(qū)域。通常，輻射計所探測目標的亮溫值范圍在30～350 K之間，故理想的高溫定標點亮溫應(yīng)當高于350 K，而理想的低溫定標點亮溫應(yīng)當?shù)陀?0 K。

處于350 K附近的高溫定標點的獲取較為簡便，而低溫定標點則由于受到種種環(huán)境條件制約而選擇范圍有限。出啊通的低溫定標源主要有自然噪聲源和液氮制冷人工噪聲源兩種。自然噪聲源的典型代表是由宇宙微波背景輻射產(chǎn)生的冷空，在較寬的微波頻帶內(nèi)，宇宙微波背景輻射產(chǎn)生均勻的2.725K的輻射亮溫，是一種理想的低溫定標源，然而其只能用于星載條件，而地基輻射計觀測冷空時受到大氣輻射傳輸?shù)挠绊懚y以準確估計[15]。液氮制冷人工噪聲源主要包括液氮制冷黑體和液氮制冷匹配負載亮類，原理均為利用低物理溫度產(chǎn)生低輻射亮溫，此類制冷定標源原理直接、技術(shù)可靠，但是有體積大、質(zhì)量重、維護不便等不足，在野外、機載、星載環(huán)境時使用成本高昂。而且，在面對低頻段的大口面天線時，這種噪聲源很難實現(xiàn)覆蓋整個天線口面的溫度均勻性[16]。

在以上兩類傳統(tǒng)低溫定標源無法使用的情況下，微波輻射計實時定標過程僅能依靠常溫定標點和高溫定標點。這種僅在相對高溫區(qū)設(shè)置定標點的定標方法會在探測低溫目標時產(chǎn)生較大的誤差，圖4反映了這種由于低溫定標點的缺失所引起的誤差增大現(xiàn)象。

圖4 微波輻射計兩點定標原理圖

圖4（a）表示了沒有低溫定標點時的情況，（b）則表示了加入低溫定標點時的情況，圖中點劃線代表定標所得理想曲線，實線代表輻射計真實的輸入-輸出關(guān)系曲線，兩者之間的差異是由輻射計自身非線性導(dǎo)致的。（a）、（b）兩圖的對比說明了，在沒有低溫定標點時，定標值與真實值的偏差在低溫段明顯增大；而引入低溫定標點后，則可以更好的矯正定標曲線，在整個觀測范圍內(nèi)有效控制定標偏差。

因此，可以在多種環(huán)境條件下為微波輻射計提供低溫定標點的有源微波冷噪聲源技術(shù)得到國外了廣泛重視。與之前傳統(tǒng)低溫定標源不同，有源微波冷噪聲源作為一個固態(tài)微波電路器件，體積小、重量輕，工作于常溫條件無需制冷劑，不要求復(fù)雜的使用條件，可以方便地裝配于接收機前端，廣泛適用于多種應(yīng)用場合。裝配有此種噪聲源的微波輻射計可以實時地獲取定標低點，進行大量程差內(nèi)定標，實時確定輻射計各通道傳輸特性，盡量減小環(huán)境參數(shù)引起的不可預(yù)估誤差。

采用有源微波冷噪聲源進行輻射計實時兩點定標的原理圖如圖5所示，在接收機前端接微波開關(guān)，按控制時序交替的切換至天線饋線、高溫定標源、低溫定標源之間，以Th、Tc作兩點定標，則可求得天線口面觀測亮溫TA。

圖5 微波輻射計接收機系統(tǒng)兩點定標示意圖

4 結(jié) 論

有源微波冷噪聲源是在場效應(yīng)管等效電路模型和雙端口微波網(wǎng)絡(luò)噪聲理論基礎(chǔ)上發(fā)展而出的新型微波噪聲源器件。微波場效應(yīng)管獨特的阻抗和噪聲特性使得以其為核心的有源微波冷噪聲源可以輸出遠低于自身所處環(huán)境溫度的在噪聲亮溫，是一種性能優(yōu)良的微波輻射計內(nèi)定標低溫源。

文中系統(tǒng)梳理了有源微波冷噪聲源的發(fā)展現(xiàn)狀，闡明了其作為微波輻射計內(nèi)定標低溫源的巨大技術(shù)優(yōu)勢。通過對有源微波冷噪聲源工作原理和關(guān)鍵技術(shù)的分析，提出了一種有源微波冷噪聲源設(shè)計方法。我們將繼續(xù)展開對有源微波冷噪聲源的研究工作，為我國相關(guān)技術(shù)研究起參考作用。

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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稿件編號：201603082

國家空間科學(xué)背景型號重點項目（XDA04061202）

董 帥（1988—），男，山東煙臺人，博士研究生。研究方向：微波輻射計系統(tǒng)，定標技術(shù)。