等価ノイズ温度を使用した RF ノイズ成分の特性評価

以前、雑音指数が RF 作業で一般的に使用される雑音仕様であることについて説明しました。 RF コンポーネントおよびシステムのノイズ性能を特徴付ける別の方法は、等価ノイズ温度であり、これがこの記事の主な焦点になります。

一般に、雑音指数と等価雑音温度は両方とも同じ情報を提供します。 ただし、ノイズ温度の概念についてはあまり馴染みがないかもしれません。 雑音温度は主に、非常に小さな雑音レベルを扱う電波天文学や宇宙指向の無線リンクなど、地上以外の用途で使用されます。 ニッチな用途にもかかわらず、雑音温度の概念を理解することで、雑音指数測定機器が実際にどのように動作するかをより明確に理解できるようになります。 実際、自動雑音指数アナライザは、雑音温度に関して内部計算の多くを実行する場合があります。

ノイズ温度の概念を使用して、アンテナやノイズ源などの 1 ポート デバイスによって生成されるノイズを指定できます。 これをよりよく理解するために、以下の図 1(a) に示すように、出力インピーダンス R が整合負荷抵抗 RL に接続された任意のホワイト ノイズ源を考えてみましょう。

ノイズ源が RL = R に No のノイズ パワーを供給すると仮定します (つまり、ノイズ源の利用可能な最大ノイズ パワーは No)。 抵抗器の利用可能なノイズ電力は kTB であることがわかっています。 kTB を No と等しくすると、抵抗器が利用可能なノイズ電力 No を示す温度がわかります。

\[T_e = \frac{N_o}{kB}\]

この観察により、図 1(b) に示すノイズ モデルが得られます。ここでは、温度 Te の単一の抵抗 R を使用して、元のノイズ源と同じ量のノイズが生成されます。ここで、Te は、等価ノイズ温度です。ノイズ源。 ノイズ温度は、温度計で測定するような抵抗器の物理的な温度を示すものではないことに注意してください。 ノイズ温度は、コンポーネントが生成する実際のノイズ レベルをモデル化するための単なる概念です。 また、定義上、雑音指数の概念は 1 ポート デバイスには適用できないことにも言及しておきます。

ノイズ温度の概念は、2 ポート ネットワークのノイズ性能を説明するためにも使用できます。 例として、図 2(a) に示すように、ゲイン G と帯域幅 B を持つノイズの多いアンプが整合ソース抵抗に接続されていると考えてください。

次に、アンプの出力で利用可能なノイズは、式 1 を使用して説明できます。

\[N_o = N_{o(追加)} + kT_0BG\]

どこ：

1 ポートの例と同様に、ソース抵抗の新しい温度を見つけることによって、アンプからのノイズをモデル化したいと考えています。 この目的を達成するために、まずアンプの入力換算ノイズを見つけます。

\[N_{i(追加)}=\frac{N_{o(追加)}}{G}\]

上記の値を kTeB と等式化すると、抵抗器の利用可能なノイズ電力が式 2 のアンプの入力換算ノイズと等しくなる等価温度が得られます。

\[T_e=\frac{N_{o(追加)}}{kBG}\]

このことから、アンプにはノイズがないと仮定でき、代わりにアンプのノイズを考慮して Rs の初期温度を Te だけ上昇させます。 これを図 2(b) に示します。

次に、合計出力ノイズを計算してモデルを検証してみましょう。 図 2(b) を参照すると、次のようになります。

\[\begin{equation}N_o &=& kTBG = k(T_0+T_e)BG \\&=& k(T_0+\frac{N_{o(added)}}{kBG})BG \\&=& kT_0BG +N_{o(追加)}\end{等しい}\]

これは式 1 と一致します (大きな驚きではありません!)。 アンプのノイズ温度 Te があれば、ソース インピーダンス Rs と T0 + Te で与えられるアンプの両方を含むシステム全体のノイズ温度を求めることができます。 さらに、式 2 を以下の雑音係数の定義と組み合わせることで、式 3 に示すように、雑音指数を等価雑音温度で表す有用な式を得ることができます。

\[\begin{equation}F&=& 1 + \frac{N_{o(追加)}}{N_{o(ソース)}} \\&=& 1 + \frac{kT_eBG}{kT_0BG} \\& =& 1 + \frac{T_e}{T_0}\end{equation}\]

N 個の 2 ポート デバイスで構成されるカスケード システムを以下の図 3 に示します。

どこ：

これを念頭に置くと、カスケード システムのノイズ係数は次のようになります。

\[F = F_1 + \frac{F_2 - 1}{G_1} + \frac{F_3 - 1}{G_1 G_2} + \dots + \frac{F_N - 1}{G_1 G_2 \dots G_{N-1} }\]

式 3 を適用すると、各 Fi 項を等価ノイズ温度に置き換えて、カスケード システムのノイズ温度を求めることができます。

\[T_{cas} = T_1 + \frac{T_2}{G_1} + \frac{T_3}{G_1 G_2} + \dots + \frac{T_N}{G_1 G_2 \dots G_{N-1}}\]

Ts がソース インピーダンスのノイズ温度を表す場合、Rs とカスケードを含むシステム全体のノイズ温度は Ts + Tcas です。

ここで、上記の概念を明確にするためにいくつかの例を見てみましょう。

ソース温度 Ts = 60 K の場合、システム全体のノイズ温度は 380 K であると仮定します。カスケードのノイズ指数を求めます。

カスケード自体のノイズ温度は、Tcas = 380 - Ts = 320 K として簡単に求められます。次に、式 3 を適用して、必要なカスケード ノイズ指数を求めます。

\[\begin{eqnarray}F &=& 1 + \frac{T_e}{T_0} \\&=& 1 + \frac{320}{290}=2.1 =3.22 \text{ }dB\end{eqnarray} \]

ソースノイズ温度が Ts = 150 K であると仮定します。また、カスケードノイズファクタ、ゲイン、帯域幅がそれぞれ Fcas = 1.8、G = 6 dB、B = 10 MHz であると仮定します。 カスケードの出力で利用可能なノイズ電力を見つけます。

まず式 3 を使用してカスケードのノイズ温度を求めます。

\[T_{cas} = (F_{cas}-1)T_0=(1.8-1)\times 290=232 \text{ } K\]

したがって、システム全体のノイズ温度は Tsys = Ts + Tcas = 150 + 232 = 382 K となります。最終的には次のようになります。

\[\begin{eqnarray}N_o &=& k(T_s + T_{cas})BG \\&=& 1.38 \times 10^{-23} \times 382 \times 10 \times 10^{6} \times 10^{0.6} \\&=& 2.099 \times 10^{-13} \text{ }W = -96.8 \text{ } dBm\end{eqnarray}\]

前回の記事では、ソース抵抗温度 T に対する総出力ノイズのプロットを調べました (図 4)。

この曲線により、雑音指数と雑音温度の間の重要な違いをよりよく理解できるようになります。 雑音指数メトリックは、標準温度 T0 に対応します。 実際には、T0 での RS によって寄与される出力ノイズ (つまり、kT0BG) とテスト対象デバイスの出力ノイズの比率、No(added) を指定します。 図からわかるように、この比は T とともに変化するため、雑音指数は標準温度で与えられます。 ただし、式 2 から、ノイズ温度はテスト対象デバイスによって追加されるノイズ No(added) を直接指定し、これは T によって変化しません。この機能により、コンポーネントのノイズ温度を任意のノイズ温度に単純に加算できます。ソース抵抗の。 システム全体のノイズ温度を使用して、出力ノイズ電力を求めます。

一方、ソース温度 Ts が標準温度 T0 と同じでない場合、雑音指数の概念を適用するのは少し難しくなる可能性があります。 Ts ≠ T0 の場合、雑音指数の定義を直接使用して総出力雑音を求めることはできません。 この場合、最初にノイズ指数方程式を使用して No(added) を見つけ、次にその情報を使用して出力ノイズを見つける必要があります。

表 1 に、いくつかの雑音指数値の例に対する雑音温度を示します。

NF (dB)

F

TN(K)

0.5

1.122

35.4

0.6

1.148

43.0

0.7

1.175

50.7

0.8

1.202

58.7

0.9

1.230

66.8

1.0

1.259

75.1

1.1

1.288

83.6

1.2

1.318

92.3

1.5

1.413

120

2.0

1.585

170

2.5

1.778

226

3.0

1.995

289

3.5

2.239

359

非常に低ノイズのシステムの場合、ノイズ温度はノイズ性能をより高解像度で表したものであることに注意してください。 たとえば、雑音指数が 0.5 dB から 1 dB に変化する一方で、雑音温度は 35.4 K から 75.1 K までの比較的広い範囲で変化します。雑音指数もこの範囲でわずかに変化し、1.122 から 1.259 になります。 ノイズ温度は高解像度で表現されるため、通常、非常に低いノイズ レベルを処理する衛星通信システムの特性を評価する際に使用されます。

この記事の最後のセクションとして、アンテナのノイズ温度に影響を与える可能性のある要因のいくつかを簡単に見てみましょう。 受信素子として使用されるアンテナの電気モデルを以下に示します (図 5)。

電圧源 VAnt は、アンテナが信号を収集する能力を表します。 RAnt は実際に、自由空間の特性インピーダンスと回路の特性インピーダンスを整合させるアンテナの整合特性をモデル化します。 アンテナは、それに当たる信号成分とノイズ成分の両方も拾います。

収集されたノイズをモデル化するために、RAnt が TAnt のノイズ温度にあると仮定します。 アンテナが拾うノイズ、つまり TAnt は、アンテナの位置、仰角、対象の周波数など、いくつかの異なる要因に依存します。 たとえば、アンテナが電磁干渉 (EMI) を発生する電子機器に向けられている場合、より多くのノイズ電力が収集されることが予想されます。 ただし、アンテナをノイズ源から離して位置を変えると、ノイズ レベルを下げることができます。

地平線からのアンテナの高さも重要なパラメーターです。 地上間の無線リンクでは、アンテナは地平線に向けられます。 したがって、地面からの熱放射を拾い、典型的な雑音温度は約 290 K になります。これは、雑音指数の定義に使用される標準温度です。

一方、衛星通信では、アンテナは空に向けられ、等価ノイズ温度は通常ははるかに低く、通常は約 50 K です。そのため、衛星通信システムは非常に低いノイズ レベルに対処し、通常はノイズ温度メトリック。 アンテナのノイズ温度も周波数によって変化します。 図 6 は、仰角 5°のアンテナの周波数に対するノイズ温度を示しています。

雑音指数と雑音温度は、雑音性能の互換性のある特性評価です。 雑音温度の概念は主に、非常に小さな雑音レベルを扱う電波天文学や宇宙指向の無線リンクなど、地上以外の用途で使用されます。 また、雑音温度の概念をよく理解すると、雑音指数測定機器が実際にどのように動作するかをより明確に把握できるようになります。 次回の記事では、雑音指数測定に一般的に使用される方法の 1 つである、雑音温度の概念を広範囲に使用する Y ファクター法について説明します。

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