气体放电管的工作原理分析

1）噪声发生器

噪声作为一种客观现象，既要避免其危害性，又要充分利用其有利的一面。在电子测试领域，利用噪声作为测试信号具有重要的意义。一方面，噪声可以模拟许多实际系统和网络的工作特性；另一方面，用噪声信号代替正弦信号进行测试时，能够收集到被测系统的动态特性，从而可以全面地评价被测系统。

噪声发生器是一种能产生连续频谱的装置，其核心部分是噪声源。一个良好的噪声源应在规定的频带内具有均匀的功率谱密度和一定的输出噪声功率。常用的噪声源有电阻器、饱和二极管、固态二极管和气体放电管。用它们制成的噪声发生器分别称为热噪发生器、饱和二极管发生器、固体噪声发生器和等离子体噪声发生器。噪声发生器的主要技术指标有频率范围（GHz）、输出噪声温度（K）、准确度（%）等。

作为测试DUT噪声系数的激励源，可选用一般信号发生器，也可选用噪声发生器。与信号发生器相比，噪声发生器的输出电平精度高，某些噪声发生器的输出电平可以经过计算得到，从而作为功率测量和校准正弦波信号发生器的初级标准。另外，噪声发生器的输出电平很低，无需采取完善的屏蔽，输出信号与被测噪声特性相同，对各类仪表有相同的响应。而用正弦波信号发生器，要使反应相同，则只能用均方值仪表，即功率表，否则会因反应不同引起读数误差。同时不必测量带宽，免除测量通频带和频响特性引起的测量误差，因此在高频、微波领域测量二端口网络的噪声特性时，一般用噪声发生器。噪声发生器的ENR在工作频率范围内有一定的变化，应在工作频率范围内选择几个甚至几十个频率点对ENR进行校准，在非校准点，ENR可由内插法得到。

（1）冷/热负载噪声发生器

此类噪声发生器是将终端负载放在传输线末端，并置于低于室温（290 K），或等于室温，或高于室温（290 K）的恒温器中，有时冷或热负载噪声发生器装在一个机箱里，有时也可单独提供冷噪声发生器或热噪声发生器。它们主要用于测量低噪声器件或设备的噪声特性。

冷噪声发生器由终端负载、隔离传输线、氮气流系统和杜瓦瓶组成。终端负载是噪声源的辐射源，输出噪声功率的大小主要由负载体的物理温度确定，不仅要求负载的温度恒定，而且要求长期工作中有良好的重现性，所以要选择用物质固有的“相”平衡态（如沸点温度、凝固点温度等）。负载的材料不仅要具备损耗大、导热性能好等特性，而且要耐低温，长期使用不变形，一般用羰基铁粉或铁粉-环氧树脂压制成型。

室温噪声发生器一般采用处于室温的终端负载，或处于“关”状态的开关衰减器。要求衰减量大于30 dB，匹配良好，电压驻波比小，不大于1.05。

热噪声发生器是指输出噪声温度高于290 K，用加热方法获得高温的噪声发生器。它由高温终端负载、隔离传输线、控温系统（包括恒温加热器、控温器、测温器、供电线路）组成，加热器由电阻丝分段绕制而成，通过适当控制各段的加热功率，以形成足够长的等温区。终端负载置于等温区内，加热器需采用多层保温措施，以确保等温区即负载温度长时间的恒温不变。高温负载的材料一般要视温度的高低而定。低于150℃（423 K）的采用羰基铁粉等材料；高于150～1 000℃的采用金属氧化物电阻器、硅-碳化合物等。

冷/热噪声发生器的输出噪声温度可以用辐射计比较、校准得到，也可通过测量负载温度和传输线的温度分布和损耗计算出输出噪声温度。它是测量高灵敏度接收机、参量放大器、辐射计、卫星接收机不可缺少的设备。

（2）饱和二极管噪声发生器

此类噪声发生器常用在米波段和分米波段，它是用阴极温度受限并工作在饱和区（或称限温区）的二极管作为噪声源。饱和二极管由热阴极和阳极组成。当阳极电压较低时，从阴极发出的一部分电子因能量小，在阳极和阴极之间形成空间电荷，从而降低了电子发射的随机性，使电流减小。当阴极电压增加时，电流也随之增大，当达到一定值后，空间电荷消失，电流不再增加，二极管工作在饱和区。饱和工作电流与阴极温度有关，温度越高，电流越大，阴极温度由灯丝电压控制。在饱和区，如阴极温度一定，则电流也维持恒定，在单位时间内，阴极发射的电子数围绕着一平均值起伏变化，这种现象称为“散弹效应”。电子发射的时间、速度和运动过程是随机的，因而总电流是一些不相关事件的总和，它的平均电流取决于阴极材料、尺寸和温度。电流的起伏分量是二极管噪声的来源，这种噪声称为“散弹噪声”。

（3）气体放电噪声发生器

它主要由气体放电管和传输系统组成。气体放电管是一种离子器件，它由灯丝（阴极）和阳极组成，管内充满一定气压的惰性气体（氩或氖）。当放电管点燃时，管内气体电离，在电场作用下，正离子趋向阴极，电子趋向阳极，这种现象称为气体放电。

气体放电时，管内形成的由离子、电子和中性粒子组成的等离子体将产生具有噪声性质的辐射。等离子体是一种准中性的混合体。在每单位体积内，电子和离子的浓度几乎相等。由于电子质量远小于其他粒子，所以在电场中，它受到更大的加速，并具有比离子和中性粒子高得多的平均速度。电子在运动中将与其他粒子碰撞，这使气体分子进一步电离。而在碰撞时电子速度急剧减慢，损失的能量就转化为一定形式的电磁辐射。由于电子速度（大小、方向）是随机的，这种辐射就带有噪声的性质，并在极宽的频率范围内谱密度均匀，并可以和微波电路紧密耦合。等离子体辐射的噪声功率与碰撞时电子的平均动能有关。若放电管充的气体是氖气，输出超噪比一般是18 dB左右；如果充的是氩气，超噪比为15 dB左右，这从点燃放电后的颜色能很容易地分辨出来。

（4）固体噪声发生器

固体噪声发生器覆盖频率极宽，具有体积小、重量轻、功耗低、适于脉冲工作等特点，主要器件是固态二极管（Read型固态二极管）。当工作于反偏压，处于雪崩击穿状态时，载流子雪崩倍增的电流起伏将产生雪崩散弹噪声。

固体噪声发生器应该在工作频率范围内具有平坦的噪声输出。平坦度与噪声二极管的频谱特性及电路设计有关。二极管采用特殊结构，为了抑制其他不可控噪声（如闪烁噪声）的产生，通常可采取在PN结上加保护环，保护环区域内的击穿电压比阳极高，这样即可限制击穿范围直接位于阳极下的部位，消除沿结边缘不可控的微等离子区击穿，抑制不可控噪声的产生，改善输出特性。

固体噪声发生器的输出功率与选定的噪声二极管及其工作电流有关（与工作电流成反比），故为得到平坦的功率谱，二极管需用恒流电源供电。其工作电压一般是28 V，工作电压的变化也将导致ENR改变，但通常变化量不大于0.02 dB/V。固体噪声发生器的调制频率为几赫兹至十几赫兹，分同轴型和波导型两种，同轴型可工作于26.5 GHz以下，覆盖频率范围极宽，可达数十个倍频程（如HP346C）。(www.xing528.com)

2）噪声系数测量原理

根据噪声系数定义，可作出噪声功率（N0）对源温度（Ti）的关系曲线，如图6-1所示。图中，Y轴截距Na表示通过被测件增加的噪声，X轴截距Ts相当于被测件的等效输入噪声温度Te，斜率是增益与带宽的乘积。

图6-1　噪声功率对源温度的关系曲线

由此可求出噪声系数F。上述测量方式，两个已知的输入噪声温度Th、Tc可通过已校准的噪声源来实现，如HP346A/B/C等。

如果测量系统中产生了附加的噪声，上述计算得到的噪声系数是测量系统与被测件的级联值F12。若想分离级联被测件的噪声系数，就需要知道被测件的增益G1与测量系统的噪声系数F2。从图6-1可以看出，被测件增益值包含在噪声功率对源温度曲线的斜率之中，测量系统单独存在（校准）时噪声功率对源温度曲线的斜率为kG2B，被测件与测量系统级联（测量）时其斜率为kG1G2B，测量与校准两种状态下斜率的比值就是被测件的增益G1。测量系统单独存在时求出的噪声系数为F1，由级联方程可求出DUT的噪声系数F1。实际的噪声系数分析仪就是通过测量F12、F2、G1，然后计算被测件的噪声系数F1。

3）噪声系数测量方法

目前所有的噪声系数测量方法基本上取决于两种输入功率条件下被测输出功率的测量，实质上是计算两个噪声功率的相对比值（噪声系数的计算可以换算到电路中的任何地方）。在怎样改变输入功率方面，人们曾采用过热负载与冷负载、气体放电噪声源、限温二极管、信号发生器及至今出现的固态噪声源。从测量方法上可总结出很多种，但最基本的测量方法是Y因子方法。Y因子（或系数）是网络输出端两个相应的资用输出噪声功率之比，如网络是理想的，不存在噪声，则Y为两个资用输入噪声功率之比。如网络存在噪声，Y因子将随网络噪声的增加而减小，它们之间存在一定的函数关系，因此测量网络噪声的大小可通过测量Y系数得到。但在具体测试中，按Y的取值不同可分为直接比较法（任意倍功率法）、等功率指示法（衰减器法）、3 dB法（Y=2）等方法。

（1）直接比较法

直接比较法进行测量时，需选用精确校准过的平方律检波器（或功率计）。为保证接收机不过载，检波器（或功率探头）要有较大的动态范围，并在检测带宽内为线性功率响应，无噪声。因此当Y值太大时，有可能因限幅而产生附加噪声。但该方法使用设备少，简单易行。

（2）等功率指示法

需选用精密衰减器，测试中用精密衰减器读取数据，指示器的两次读数相同，仅作为等指示使用，不必进行平方律校准，无需精确知道指示器的输入功率与输出电压之间的关系。等功率指示法又分为中频衰减等功率法与高频衰减等功率法，该方法常用来测量低噪声器件的噪声系数。在噪声系数的各种测试方法中，等功率指示法测量精度较高。在等功率指示法中，如果衰减器两端存在失配，则实际衰减量与读数间存在差别，引入衰减器失配误差，当失配误差较大时，可在衰减器两端各置一个驻波比较小的隔离器，以提高测量精度。

（3）3 dB法

当噪声发生器的ENR连续可调或输出的噪声峰值使待测网络或指示器饱和时，可采用3 dB法。实际上是改变噪声发生器的ENR，使Y=2。有两种方法可改变噪声源的ENR，一种是噪声发生器的ENR是可调节的，如饱和二极管噪声发生器，这种方法称为3 dB可变源法；第二种是噪声发生器的ENR不可调节，如等离子体噪声发生器，可用精密衰减器来调节输入被测网络的噪声功率，这种方法称为3 dB固定源法。

噪声系数的测量方法随应用的不同而不同，比如有些应用具有高增益和低噪声系数（低噪声放大器），有些则具有低增益和高噪声系数（混频器），因此必须仔细选择相应的测量方法。

4）噪声系数分析仪

噪声系数分析仪实际上是一台高灵敏度低噪声接收机，对外部噪声屏蔽和内部噪声抑制有较高的要求。从设计原理来看，可以采用Dicke接收机、零平衡Dicke接收机、Gtahara接收机及超外差式接收机等。