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微波二端口噪声参数计算及精确测量方法研究

作　者: 周求湛
导　师: 王树勋；戴逸松
学　校: 吉林大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 二端口网络 Rn－Gn模型噪声测量噪声计算连接矩阵低频噪声
分类号: TN925
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

微波通信在军事和民用通信领域中具有不可替代的地位，降低微波电路的噪声一直是令人关注的课题。微波系统中的噪声问题，从微波技术诞生的那一天起就一直是限制其系统性能提高的主要因素。低噪声放大器是微波系统中的关键部件，其低噪声设计是电子系统低噪声设计中的一项重要内容，器件中噪声的来源、性质、数量以及系统和器件的噪声模型是低噪声设计的基础。本文的研究内容是围绕微波器件及系统的噪声特性计算、测量以及低噪声器件的筛选及可靠性评估展开的，是微波领域低噪声电路设计中的关键问题，是一项具有创新性的研究工作。一、微波器件中的噪声源与噪声模型研究本文研究了微波器件内部的噪声（主要是热噪声、散弹噪声和闪烁噪声）的来源与性质。论文从微波电路的噪声模型出发，研究了Rn-Gn模型等各种噪声模型的定义、参数意义及应用范围。本文对以二端口网络为基础的Rn-Gn噪声模型及其衍生模型进行了重点研究。由于大多数微波电路可以用一个二端口网络或者多个二端口网络相互连接的方法进行分析和计算，所以，基于二端口网络的微波电路噪声测量、计算、分析并提取噪声模型参数，在微波工程尤其是低噪声放大器设计中有很重要的应用价值。二、噪声系数测量及噪声参数提取方法研究本文对噪声系数测量各种方法进行研究，对比了各种方法测试的速度、精度、难易程度，适用的频率范围等。综合Fukui的经验主义估计方法和Lane的最小二乘方法，提出了一个新的Rn-Gn噪声模型参数提取方法。 <WP=156>针对二倍功率法和自动测量法这两种噪声系数测量方法，本文分别组建了两套测试系统。并自制了噪声测量系统的关键部分－阻抗变换器，并用HP8714ET测量了其S参数，其中的反射系数可以直接转换为源导纳。使用HP8970B噪声系数测试仪在不同源导纳下对微波放大器进行了噪声系数测量。针对噪声系数测量中经常遇到的级联网络噪声测量问题进行了研究，修正了不等带宽情况下Friis公式的表达式，分析了二倍功率法的不足，并对其进行了改进。本文对噪声模型参数的确定方法（IRE传统方法、Lane方法、Fukui方法和其它一些方法）都进行了对比研究。以上各种方法各有特点，在实际应用中都有着不足与局限性。本文在研究多种参数提取方法提出了一种新的提取方法，该方法能够发挥Lane最小二乘算法高精度特点，特别是加权最小二乘法对抑制测量误差起到很好的效果；该方法又能利用Fukui方法优点，避免由于源阻抗选择不当造成的误差，对被测网络的最佳源阻抗等噪声参数先进行预估计，节省很多的测量时间。这部分革新性工作为噪声参数提取的提供了一个新的方法及步骤，可以减少测量时间，提高提取精度。本文进行的噪声系数测量和噪声参数提取工作，是Rn-Gn噪声模型参数确定中的两项重要工作。三、复杂网络Rn-Gn噪声模型参数计算方法本文对不同连接形式的微波电路的Rn-Gn噪声模型参数计算方法进行了研究，引入了一个连接矩阵C的概念，解决了双网络和N级网络的噪声计算问题，建立了子网络的噪声模型参数与整个网络噪声模型参数之间的关系。使快速、准确评估复杂网络的噪声性能成为可能。很多微波电路比较复杂，但复杂电路也总可以分解为两个或多个子二端口网络连接的形式。连接的形式有串联，并联，级联，串－并联和并－串联，前三种属于单一连接方式，后两种属于混合连接方式。为了有效的对子网络的噪声对整个系统噪声的贡献进行分析与综合，引入的C矩阵描述了子网络的噪声源eni和ini，对整个网络噪声en和in的贡献。C是网络连接形式的函数。在研究了单一连接三种形式的连接矩阵CZ、CY、CA 基础上，利用等效前<WP=157>后同支路电压，电流及噪声不变的特点，首先推导了两种混合连接双二端口网络的连接矩阵CH和CG的表达式，然后推出了在只有两个子网络的情况下，子网络噪声参数和整个网络噪声参数的关系，并为分析和计算N级网络的噪声特性打下了基础。本文进一步对五种形式的N级微波二端口网络的噪声分析过程进行了阐述，对等效后的噪声参数与各子网络单元的噪声参数之间的关系进行了推导，得到了不同连接形式下C矩阵（Cp，Cs，Cc，Cps，Csp）的表达式。并在此基础上，推导了求取N级网络噪声模型4个参数（Rn、Ycor=Gcor+jBcor、Gn）的公式，并可进一步求出Fmin、Rn、Yopt =Gopt+jBopt这四个更为常用噪声参数。众所周知，局部单一网络的噪声参数的测量和计算已经相当困难和繁琐。本文有关双二端口网络混合连接和N级网络五种连接形式下的连接矩阵推导及噪声参数计算公式为噪声参数计算提供了理论基础。利用以上结论使一个大的复杂电路网络的噪声参数，在获取了子网络的噪声参数和传递函数矩阵的情况下，可以通过各个子网络单元的噪声参数来计算，可以降低复杂网络噪声参数的测量和计算的难度，提高测试的精度与速度。实验测试结果表明，该方法可以快速有效的对噪声参数进行计算，对估计系统的噪声和低噪声放大器设计的CAD有重要的意义。四、低频噪声成分估计与可靠性筛选方法研究此外，本文对微波系统中的低频噪声问题展开了的探索性研究，提出了一个G－R噪声转折频率确定方法和一种全新的噪

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