[科普中国]-天线噪声温度-

基本概念天线噪声温度的定义

在指定频率的单位带宽内，假设在无噪声的接收机前接一个电阻，如果接收机输出的噪声温度与接天线时的噪声温度相同，则这个电阻的噪声温度就是该天线的噪声温度。天线的噪声温度Ta由两部分组成，其一是天线本身材料的损耗引起的热噪声Ta1，另一部分是天线接收到的外界的噪声Ta2 ,则

Ta=Ta1+Ta2

热噪声Ta1的计算比较混乱，有人认为Ta1≈T0，有人认为天线的热噪声对天线噪声温度没有贡献。天线接收到的外界噪声Ta2是外界噪声源(如宇宙噪声等)，通过无线的方式传给系统的，与天线的方向图有关；热噪声Ta1也是由一种噪声源，在此称为天线自身噪声源，它通过馈传输给系统，与系统的阻抗有关。1

天线自身噪声源天线自身噪声源为天线所处的环境温度，以T0表示。

天线自身噪声温度：天线自身噪声源传给系统的噪声温度，即Ta1

天线直流电阻：由于天线原材料的欧姆损耗造成的电阻，称为天线的直流电阻，记为Rdc

天线交流阻抗：对应于天线工作的电磁场模式的阻抗，称为天线的交流阻抗。

通常所说的天线本身材料的损耗引起的热噪声是指天线自身噪声源传给系统的噪声温度，而不是天线所处的环境温度，实际上，大家关心的是天线自身噪声源对系统的贡献而不是天线自身噪声源。将天线的阻抗分解成两部分，其一是天线的直流电阻Rdc．其二是天线的交流阻抗Zac 则天线的阻抗Za为

Za=Rdc+Zac

根据这样的定义，天线直流电阻与频率无关，它就是天线自身的噪声源，显然，这个天线自身噪声源的噪声温度就是天线所处环境的噪声温度。而天线的交流阻抗与频率有关，由天线的形状、尺寸、材料、工作模式、馈电点位置等参数决定。1

外界噪声源任何高于绝对零度的物体都辐射电磁波，产生噪声。外界的噪声源主要包括宇宙噪声、雷电噪声、大气噪声、雨雪噪声、地面噪声、人为噪声等。有些噪声源是时刻都存在的，有些噪声源则在某些情况下才出现。。

宇宙噪声(Tg)：空间星体的热气体以及分布在星际空间中的物质所形成的噪声，它与频率的关系为：

Tg=26.1/f2(K)。式中f为频率(GHz)。

太阳系噪声(Tsun)：宁静太阳的噪声模型为Tsun=195750/f(K)，f为频率(GHz)。太阳爆发时的噪声温度为宁静时的十倍左右。

大气噪声(Tair)：在干燥空气中，大气噪声主要是氧气吸收所产生的噪声，在1GHz以下，干燥大气的噪声较小，与其它噪声源相比，可以忽略；在10GHz以上，大气噪声急剧增加，在1GHz～10GHz时，大气噪声与仰角的关系图表见文献。2

地面噪声(Tgad)：一般取Tgad=293K。1

天线噪声温度的计算自身噪声温度的计算天线的自身噪声模型示于图。

显然,天线自身噪声温度并不是天线的环境温度T0 ,而是噪声温度为T0 的噪声源(内电阻Rdc )传给特性阻抗为Z0= R0 的系统的噪声温度。不难得出天线自身噪声源传递给系统的噪声,即天线的自身噪声温度为

式中R0 为系统阻抗,通常R0= 50Ω或75Ω。

按天线的直流电阻的不同,天线可分成开路型、短路型、负载型三类。开路型天线的直流电阻Rdc～ ∞ ,如无短路线的微带天线; 短路型天线的直流电阻Rdc= 0,如带有巴伦的普通振子天线; 负载型天线的直流电阻Rdc= 50～ 200Ω,如终端接负载电阻的平面螺旋天线、曲线微带天线等行波天线。

由于构成天线的金属材料的导电率有限,介质材料存在损耗,因此,实际的开路型天线的阻抗 0,其具体数值取决于天线的材料和尺寸。1

环境噪声温度的计算假设天线相位中心位于球坐标原点,环境的噪声温度分布函数为Th (θ, f ) ,天线的功率方向图函数为D(θ,h) ,则天线接收到的环境噪声温度Ta2为(假设它与天线极化无关)

环境噪声温度分布函数为

从式中可以看出，天线接收到的噪声与天线的方向图函数密切相关。以高增益天线为例，当波束指向冷空时，天线的噪声温度很低；如果波束指向地平面，则天线的噪声温度增大。当高增益天线的主瓣对准一高温物体(如太阳、高温弹体)时，天线的噪声温度就会增高。

天线接收的噪声取决于天线的总场方向图，而天线的总场方向图是很难准确测量的，但是可以用测量两正交场分量的办法，分别由式计算。1

频谱仪测量天线噪声温度频谱分析仪就是进行射频信号频域测量的仪器，它基本上是一个带有扫描本振的超外差接收机。频谱分析仪对于射频工程师来说是必不可少的测试工具，广泛应用于无线电技术的各个领域，例如：电子对抗、卫星通信、移动通信、散射通信、雷达、遥控遥测、侦察干扰、射电天文、卫星导航、航空航天和频谱监测等领域。3

如图所示，用频谱仪测量天线噪声温度的原理方框图。

图中，Tan 为天线噪声温度（K）；T0 为常温负载噪声温度（K）；TLNA 为低噪声放大器噪声温度（K）；Te 为接收机的等效噪声温度（K）。

首先将当待测天线转到测量的仰角上，且指向晴空，则频谱仪测量的噪声功率Nant 为：

式中，GLNA 为低噪声放大器增益。

然后将图1 中开关切向常温负载，则此时频谱仪的噪声功率Nload 为：

通常把频谱仪测量的噪声功率之比Nload /Nant用Y 因子表示，则由式（4）可求出天线噪声温度Tan 为

式（5）就是利用频谱仪测量天线噪声温度的原理公式。一般工程测量中，采用的低噪声放大器增益高噪声低，则Te 近似等于低噪声放大器的噪声温度TLNA，则式（5）可表示为：

一般情况下，频谱仪默认为对数工作模式，则分贝表示噪声功率与Y 因子的关系为：3