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空间行波管脉间噪声测试系统和测试方法

阅读：697发布：2020-05-11

专利汇可以提供空间行波管脉间噪声测试系统和测试方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种行波管脉间噪声测试系统和测试方法。该测试系统包括：用于为被测行波管供电的测试电源；对来自行波管输出端的噪声信号用于测量信号放大器输出信号的噪声功率谱密度值的频谱仪，和数据处理单元，用于根据所述频谱仪测量的噪声功率谱密度值、所述信号放大器的增益值和噪声系数值，获得所述行波管的噪声功率谱密度值。根据本发明的测试系统和测试方法，通过在现有测试系统中低噪声放大器，可以利用频谱仪读出放大后的噪声功率谱密度值和低噪声放大器的参数，通过计算准确获得被测空间行波管脉间噪声功率谱密度值，对被测行波管噪声参数实现了准确表征。，下面是空间行波管脉间噪声测试系统和测试方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种行波管脉间噪声测试系统，其特征在于，该测试系统包括：
用于为被测行波管供电的测试电源；
对来自行波管输出端的噪声信号进行放大的至少一个信号放大器；
用于为所述信号放大器供电的偏置电源；
用于测量信号放大器输出信号的噪声功率谱密度值的频谱仪，和
 数据处理单元，用于根据所述频谱仪测量的噪声功率谱密度值、所述信号放大器的增益值和噪声系数值，获得所述行波管的噪声功率谱密度值。
2.根据权利要求1所述的行波管脉间噪声测试系统，其特征在于，所述频谱仪的最小可测噪声功率谱密度值为-150dBm/Hz至-165dBm/Hz。
3.根据权利要求1所述的行波管脉间噪声测试系统，其特征在于，所述信号放大器的噪声系数值为0.2-3dB。
4.根据权利要求3所述的行波管脉间噪声测试系统，其特征在于，所述信号放大器的增益为20dB-30dB。
5.根据权利要求1所述的行波管脉间噪声测试系统，其特征在于，所述信号处理单元根据下式计算被测行波管的脉间噪声功率谱密度值
其中，NPtwt是行波管1Hz频宽内的噪声功率；
NPtotal是频谱仪测得的1Hz频宽内的总噪声功率；
NPspc是频谱仪1Hz频宽内的噪声功率；
G是信号放大器的增益；
NF是信号放大器的噪声系数；
k是玻尔兹曼常数；
T是以绝对温度计的室温；
A1是连接在被测行波管和信号放大器之间的电缆的损耗；
A2是连接在信号放大器和频谱仪之间的第二电缆的损耗。
6.根据权利要求1所述的行波管脉间噪声测试系统，其特征在于，所述低噪声信号放大器的噪声系数值为0.5-2.5dB，增益为25-30dB。
7.根据权利要求1所述的行波管脉间噪声测试系统，其特征在于，所述信号放大器的工作频带为所述被测行波管的工作频带。
8.一种行波管脉间噪声测试方法，其特征在于，该方法包括
使用根据权利要求1所述的行波管噪声测试系统，在脉冲间歇期间对行波管输出端信号进行测量；
根据频谱仪测量的行波管噪声功率谱密度值、信号放大器的增益值和噪声系数值，获得所述行波管的脉间噪声功率谱密度值。
9.根据权利要求8的行波管脉间噪声测试方法，其特征在于，根据下式计算行波管的噪声功率谱密度值
其中，NPtwt是行波管1Hz频宽内的噪声功率；
NPtotal是频谱仪测得的1Hz频宽内的总噪声功率；
NPspc是频谱仪1Hz频宽内的噪声功率；
G是信号放大器的增益；
NF是信号放大器的噪声系数；
k是玻尔兹曼常数；
T是以绝对温度计的室温；
A1是连接在被测行波管和信号放大器之间的电缆的损耗；
A2是连接在信号放大器和频谱仪之间的第二电缆的损耗。
10.根据权利要求8的行波管脉间噪声测试方法，其特征在于，所述信号放大器的噪声系数值为0.5-2.5dB，增益为25-30dB。

说明书全文

空间行波管脉间噪声测试系统和测试方法

技术领域

[0001] 本发明属于微波测试领域，特别涉及一种空间行波管脉间噪声测试系统及测试方法。

背景技术

[0002] 为各种目的服务的卫星的发展，诸如商业通信卫星、个人通信卫星、气象卫星、侦察卫星、雷达卫星、导航及通信卫星等等，有力地推动了卫星相关领域的事业的发展。空间行波管是各类应用卫星中的核心部件，随着多种不同功能卫星的高速发展，对空间行波管的数量和性能提出了越来越高的需求，需要空间行波管具有高效率、宽频带以及越来越高的功率。作为卫星通讯系统核心元器件的行波管，保证所传递信息的完整性是基本要求。因此，在保证行波管功率和效率的同时，对于行波管其他特性的要求也越来越严格，噪声功率谱密度即为其中一项。同噪声系数一样，噪声功率谱密度是用来表征行波管的信噪比的参量，如果存在噪声，经过行波管放大后的信号有可能被噪声掩盖，增加系统的误码率，影响整个卫星通讯系统的信号的传递。因此，如何准确地获得的空间行波管噪声功率谱密度值对测试方法提出了新的要求。

[0003] 宇航用行波管中和脉间噪声相关的设计参数已接近或低于频谱仪的本底噪声，现有的测试方法已无法通过频谱仪准确获得行波管脉间噪声功率谱密度的真实值。现阶段对空间行波管脉间噪声功率谱密度的测试合格与否，仅以频谱仪是否能读出噪声功率谱密度值为判据，而不是准确获得空间行波管的脉间噪声功率谱密度值。如果仅能通过行波管在整机上使用时噪声对整机的影响来判断行波管的脉间噪声功率谱密度值是否符合要求，对行波管制造商和整机制造商来说都是不理想的。

[0004] 因此，需要提供一种噪声测试方法，以期利用现有频谱仪准确表征空间行波管脉间噪声。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种能够准确获得空间行波管脉间噪声功率谱密度值的方法。

[0006] 根据本发明的一个方面提供一种行波管脉间噪声测试系统，该测试系统包括：

[0007] 用于为被测行波管供电的测试电源；

[0008] 对来自行波管输出端的噪声信号进行放大的至少一个信号放大器；

[0009] 用于为所述信号放大器供电的偏置电源；

[0010] 用于测量信号放大器输出信号的噪声功率谱密度值的频谱仪，和[0011] 数据处理单元，用于根据所述频谱仪测量的噪声功率谱密度值、所述信号放大器的增益值和噪声系数值，获得所述行波管的噪声功率谱密度值。

[0012] 优选地，所述频谱仪的最小可测噪声功率谱密度值为-150dBm/Hz至-165dBm/Hz。

[0013] 优选地，所述信号放大器的噪声系数值为0.2-3dB。

[0014] 优选地，所述信号放大器的增益为20dB-30dB。

[0015] 优选地，所述信号处理单元根据下式计算被测行波管的脉间噪声功率谱密度值[0016]

[0017] 其中，NPtwt是行波管1Hz频宽内的噪声功率；

[0018] NPtotal是频谱仪测得的1Hz频宽内的总噪声功率；

[0019] NPspc是频谱仪1Hz频宽内的噪声功率；

[0020] G是信号放大器的增益；

[0021] NF是信号放大器的噪声系数；

[0022] k是玻尔兹曼常数；

[0023] T是以绝对温度计的室温；

[0024] A1是连接在被测行波管和信号放大器之间的电缆的损耗；

[0025] A2是连接在信号放大器和频谱仪之间的第二电缆的损耗。

[0026] 优选地，所述低噪声信号放大器的噪声系数值为0.5-2.5dB，增益为25-30dB。

[0027] 优选地，所述信号放大器的工作频带为所述被测行波管的工作频带。

[0028] 根据本发明的另一方面，提供一种行波管脉间噪声测试方法，该方法包括[0029] 使用根据如上所述的行波管噪声测试系统，在脉冲间歇期间对行波管输出端信号进行测量；

[0030] 根据频谱仪测量的行波管噪声功率谱密度值、信号放大器的噪声系数值和增益值，获得所述行波管的脉间噪声功率谱密度值。

[0031] 优选地，根据下式计算行波管的噪声功率谱密度值

[0032]

[0033] 其中，NPtwt是行波管1Hz频宽内的噪声功率；

[0034] NPtotal是频谱仪测得的1Hz频宽内的总噪声功率；

[0035] NPspc是频谱仪1Hz频宽内的噪声功率；

[0036] G是信号放大器的增益；

[0037] NF是信号放大器的噪声系数；

[0038] k是玻尔兹曼常数；

[0039] T是以绝对温度计的室温；

[0040] A1是连接在被测行波管和信号放大器之间的电缆的损耗；

[0041] A2是连接在信号放大器和频谱仪之间的第二电缆的损耗。

[0042] 优选地，所述信号放大器的噪声系数值为0.5-2.5dB，增益为25-30dB。

[0043] 本发明的有益效果如下：

[0044] 本发明针对宇航用空间行波管脉间噪声功率谱密度接近或低于现有频谱仪的最小可测噪声功率谱密度值，依据现有测试方法不能测得空间行波管脉间噪声功率谱密度值的现状，对现有测试方法进行了改进。通过在现有测试系统中增加一个或多个低噪声放大器，精确设计低噪声放大器的参数值，对脉间噪声信号进行放大，利用频谱仪读出放大后的噪声功率谱密度值和低噪声放大器的参数，通过计算准确获得了被测空间行波管脉间噪声功率谱密度值，对被测行波管噪声参数实现了准确表征。附图说明

[0045] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

[0046] 图1示出根据本发明的脉间噪声功率谱密度测试系统的示意图；

[0047] 图2示出根据本发明实例1的X波段脉间噪声测试频谱图；

[0048] 图3示出根据本发明实例2的Ku波段脉间噪声测试频谱图。

具体实施方式

[0049] 为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

[0050] 图1示出根据本发明的噪声功率谱密度测试系统的示意性框图。根据本发明的测试系统100包括用于为被测行波管110供电的测试电源120、用于对行波管输出信号进行放大的低噪声放大器130、为低噪声放大器供电的偏置电源140、与低噪声放大器连接的频谱仪150，以及数据处理单元160。数据处理单元用于根据频谱仪输出的噪声功率谱密度值、信号放大器的噪声系数值和增益值，根据下述公式1，获得所述行波管的脉间噪声功率谱密度值

[0051]

[0052] 其中，NPtwt是行波管1Hz频宽内的噪声功率；

[0053] NPtotal是频谱仪测得的1Hz频宽内的总噪声功率；

[0054] NPspc是频谱仪频宽内的噪声功率，单位mW；

[0055] G是信号放大器的增益；

[0056] NF是信号放大器的噪声系数；

[0057] k是玻尔兹曼常数；

[0058] T是以绝对温度计的室温，

[0059] A1和A2分别是第一电缆和第二电缆的损耗。

[0060] 所述频谱仪150，通常使用最小可测噪声功率谱密度值为-150dBm/Hz至-165dBm/Hz的频谱仪。例如，在行波管的脉间噪声功率谱密度值的设计参数为低于-164dBm/Hz的情况下，因为该设计参数非常接近甚至小于上述频谱仪最小可测噪声功率谱密度值，很有可能无法从频谱仪上直接读出待测行波管的脉间噪声功率谱密度值，或者即使有读数，也因为临近频谱仪的测量极限而出现测量数据不准确的情况。

[0061] 为了精准测量行波管的脉间噪声功率谱密度，准确表征被测行波管的性能，本发明在行波管输出端和频谱仪之间串联一个或多个信号放大器，用于对行波管的输出信号特别是脉间噪声信号进行放大，以使频谱仪能够准确测量经放大的脉间噪声的功率谱密度。该放大器的工作频带要覆盖被测行波管的工作频带，至少与被测行波管的工作频带一致。
可以理解，信号放大器的本底噪声越低越好，简称为低噪声放大器。如果放大器的本底噪声太大，放大器在被测信号中引入新的噪声，在测试过程中将抬高被测行波管的噪声功率谱密度，导致测量结果不准确。但是，进一步降低放大器的本底噪声将显著增加放大器的制作成本，且难于实现。另一方面，如果放大器的增益太小，经放大的行波管脉间噪声有可能仍然无法被频谱仪检测到，如果放大增益太大，也可能出现超出频谱仪读数范围的情况。因此，如何确定本发明的信号放大器的参数特别是本底噪声功率谱密度值和增益是本发明要解决的问题。

[0062] 根据本发明的优选实施方式，对于脉间噪声功率谱密度值的设计参数低于-164dBm/Hz的行波管，在通常选用最小可测噪声功率密度值为-150dBm/Hz至-165dBm/Hz的频谱仪的情况下，用于行波管脉间噪声测量的低噪声放大器130的噪声系数为0.2-3dB，增益为20dB至30dB。具体地，若选用最小可测噪声功率密度值为-165dBm/Hz的频谱仪测量行波管脉间噪声，则噪声放大器的噪声系数值优选为0.5-2.5dB，增益为25dB-30dB。根据本发明的优选方式，放大器130可以是串联连接的多个低噪声放大器，具体数量可以根据放大器的增益确定。

[0063] 根据本发明的优选实施方式，被测行波管的行波管脉间噪声测试方法包括，对被测行波管施加灯丝和栅极脉冲电压，在脉冲间歇期间将对行波管输出端信号进行测量，读取频谱仪测量的噪声功率谱密度值；根据所述频谱仪测量的噪声功率谱密度值、信号放大器的增益值和噪声系数值，计算被测行波管的噪声功率谱密度值。

[0064] 下面结合具体实例对本发明的优选实施方式和有益效果进行说明。

[0065] 实例1

[0066] 根据本发明的一个实例，被测行波管为X波段空间行波管，其脉间噪声功率谱密度的设计值为小于-164dBm/Hz。根据本发明的测试系统，包括为行波管提供输入信号的匹配负载作为信号源；为被测行波管供电的测试电源；最小可测脉间噪声功率谱密度值为-160dBm/Hz的频谱仪；连接在被测行波管的输出端和所述频谱仪之间的低噪声放大器，该放大器的工作频带为X波段，噪声系数值为1.2dB，增益为26.7dB；为放大器供电的偏置电源；
以及信号处理单元。图2示出根据本实施例的频谱仪测得的脉间噪声功率谱密度值-
148dBm/Hz。数据处理单元根据上述公式1，得到被测行波管的脉间噪声功率谱密度值为-
170dBm/Hz。

[0067] 实例2

[0068] 根据本发明的另一个实例，被测行波管为Ku波段空间行波管，其脉间噪声功率谱密度的设计值为-164dBm/Hz。根据本发明的测试系统，包括为行波管提供输入信号的匹配负载作为信号源；为被测行波管供电的测试电源；最小脉间噪声功率谱密度值为-160dBm/Hz的频谱仪；连接在被测行波管的输出端和所述频谱仪之间的低噪声放大器，该放大器的工作频带为Ku波段，噪声系数值为1.1dB，增益为27.9dB；为放大器供电的偏置电源；以及信号处理单元。图3示出根据本实施例的频谱仪测得的脉间噪声功率谱密度值-147dBm/Hz。数据处理单元根据上述公式1，得到被测行波管的脉间噪声功率谱密度值为-169dBm/Hz。

[0069] 通过上述分析可以看出，本发明的测试系统和测试方法在现有的测试系统中增加了一个或多个低噪声放大器对信号进行放大，有效放大了功率谱密度值更低的行波管脉间噪声信号，经放大的信号的噪声功率谱密度值可以在常规频谱仪中读出。通过对放大后的噪声信号进行计算，准确获得的行波管的脉间噪声信号，从而可以为宇航用空间行波管设计使用及检测提供充分的依据和质量保证。

[0070] 显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

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