在多通道接收機(jī)接收的過(guò)程中，噪聲的加入限制了信號(hào)的信噪比和靈敏度，由于射頻接收機(jī)所接收到的信號(hào)較為微弱，其噪聲特性顯得尤為重要。另一方面在多通道成像的過(guò)程中，不同通道的接收路徑有可能不同，即使接收路徑一樣，各通道的噪聲特性也不可能完全一樣。故接收機(jī)每個(gè)通道各級(jí)的噪聲系數(shù)的精確測(cè)量非常重要。傳統(tǒng)的噪聲系數(shù)測(cè)量方法不能滿足測(cè)量大噪聲系數(shù)的要求。且在實(shí)際的多通道測(cè)量中，需要使得被測(cè)通道處在接收狀態(tài)，其他通道不工作以減少通道間的噪聲干擾來(lái)保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。考慮到接收到射頻信號(hào)的微弱，射頻接收機(jī)的前端通常有一個(gè)用低噪聲
1優(yōu)化測(cè)量噪聲系數(shù)的原理
射頻接收機(jī)的噪聲主要包括電阻的熱噪聲和PN結(jié)的散彈噪聲，均屬于白噪聲的范疇。白噪聲不包括任何離散成分，其電平符合高斯分布。功率譜在一定的頻率范圍為均勻分布。噪聲系數(shù)是表征線性二端口網(wǎng)絡(luò)或二端口變換器系統(tǒng)噪聲特性的一個(gè)重要參數(shù)。它的標(biāo)準(zhǔn)定義為：接收機(jī)輸入端信噪功率比與輸出端信噪功率比的比值。根據(jù)尼奎斯特定理，處于標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度T0(290 K)的輸入端產(chǎn)生的資用噪聲為功率為kT0 B；k為玻爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J／K)；B為等效帶寬。設(shè)網(wǎng)絡(luò)的資用噪聲增益為G，對(duì)于線性網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)資用噪聲增益等于資用信號(hào)功率增益，則僅由輸入端所產(chǎn)生的輸出資用噪聲功率為GkT0B，設(shè)端口輸入輸出的信號(hào)及噪聲功率分別為Psi，Pni，Pso，Pno，由此即可得到噪聲系數(shù)(F)2 種互相等效的定義：
由于被測(cè)的接收機(jī)不是工作在線性區(qū)域，而信號(hào)源法需要知道被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲帶寬，要準(zhǔn)確測(cè)定等效噪聲帶寬是很困難的，因此信號(hào)源法測(cè)試誤差較大，實(shí)際測(cè)試中需采用噪聲源法。常用的采用噪聲源法的測(cè)量噪聲系數(shù)方法包括：增益法，Y系數(shù)法和噪聲系數(shù)儀法。使用噪聲系數(shù)測(cè)試儀是測(cè)量噪聲系數(shù)的最直接方法。在大多數(shù)情況下也是最準(zhǔn)確的。且可在特定的頻率范圍內(nèi)測(cè)量噪聲系數(shù)，分析儀能夠同時(shí)顯示增益和噪聲系數(shù)幫助測(cè)量。但當(dāng)噪聲系數(shù)超過(guò)10 dB，測(cè)量結(jié)果非常不準(zhǔn)確。對(duì)于MRI的射頻接收機(jī)來(lái)說(shuō)，這種方法所能測(cè)量的噪聲系數(shù)的范圍太小，顯然不適用。而增益法和Y系數(shù)法都是利用頻譜儀來(lái)測(cè)量，所不同的是增益法需要事先知道被測(cè)元器件的資用增益，而且受到頻譜儀噪聲基底的限制。Y系數(shù)法是測(cè)量噪聲系數(shù)的一種典型方法。在測(cè)量中，當(dāng)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸入端處于2個(gè)不同的資用功率時(shí)(例如：噪聲發(fā)生器的熱態(tài)T和冷態(tài)T)，輸出端可以得到2個(gè)相應(yīng)的資用功率PNO，PNO，通常把這兩個(gè)功率之比記作Y，設(shè)這一個(gè)二端口的網(wǎng)絡(luò)(或是二端口的元器件)等效噪聲溫度為T(mén)e，增益為G，被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)為F，可得：
利用Y因子測(cè)量噪聲系數(shù)需要冷噪聲源和熱噪聲源以便在輸入端實(shí)現(xiàn)不同的噪聲功率輸入，通常是通過(guò)對(duì)固態(tài)噪聲源加電壓和不加電壓實(shí)現(xiàn)，即當(dāng)噪聲發(fā)生器被施加直流電壓時(shí)，噪聲發(fā)生器產(chǎn)生噪聲輸出形成熱噪聲源，當(dāng)未施加電壓時(shí)，存在于噪聲發(fā)生器內(nèi)部熱擾動(dòng)產(chǎn)生的剩余噪聲形成冷噪聲源。加電壓的方法只適合測(cè)量較小的噪聲系數(shù)，當(dāng)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)較大時(shí)，需要獲得較高的Y因子來(lái)減小測(cè)量誤差，因此需要較高的直流電源來(lái)獲得熱噪聲源，這在實(shí)際中是難以實(shí)現(xiàn)的，即傳統(tǒng)的Y因子測(cè)量方法誤差較大，所以需要對(duì)噪聲源進(jìn)行優(yōu)化。由于接收機(jī)的第二級(jí)為前置低噪聲放大器，它的噪聲系數(shù)相對(duì)于接收機(jī)的其他級(jí)很小，可以直接用噪聲系數(shù)儀測(cè)量。在接收機(jī)中所使用的低噪聲放大器的增益為30 dB，故可以控制放大器使得它在工作即放大條件為下一級(jí)提供熱噪聲源，在不放大條件下提供冷噪聲源，這樣就可以得到較大的Y因子，減小測(cè)量大噪聲系數(shù)時(shí)的誤差。而且不需要額外的噪聲源和直流電源，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。
2多路信道切換(
實(shí)驗(yàn)所用到的接收機(jī)有8個(gè)通道，實(shí)際測(cè)量噪聲系數(shù)需要對(duì)每個(gè)通道單獨(dú)用頻譜儀進(jìn)行測(cè)量，即八個(gè)通道只有一個(gè)通道工作，另外7個(gè)通道處于斷路狀態(tài)，而在射頻接收機(jī)中，沒(méi)有接收信號(hào)的通道輸入需要用50 Ω的電阻蓋住。根據(jù)以上分析需要設(shè)計(jì)一個(gè)8通道選任一通道的射頻開(kāi)關(guān)，且不工作的其他通道輸出端呈50 Ω阻抗。
這種特性可利用PIN開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)。PIN開(kāi)關(guān)是利用PIN二極管不同偏置下電特性制成的射頻半導(dǎo)體控器件。它具有優(yōu)良的開(kāi)關(guān)特性：當(dāng)PIN二極管正向直流偏置時(shí)對(duì)射頻信號(hào)呈近似短路狀態(tài)；當(dāng)PIN二極管反向偏置時(shí)對(duì)射頻信號(hào)呈近似開(kāi)路狀態(tài)。PIN二極管開(kāi)關(guān)具有控制速度快、損耗小、功率容量大的特點(diǎn)。
如圖1所示，在每一路通道放置一個(gè)單刀單擲射頻開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)均有一根控制線控制其通斷。通過(guò)對(duì)8路控制線設(shè)置選擇惟一的1路導(dǎo)通即可實(shí)現(xiàn)八選任一路的切換。
用矢量網(wǎng)絡(luò)儀R&S ZVB4測(cè)量該射頻開(kāi)關(guān)的頻率范圍、插入損耗及隔離度，結(jié)果如圖2所示：
圖2為本文所設(shè)計(jì)的射頻開(kāi)關(guān)在中心頻率為63.6 MHz，帶寬為120 MHz下的特性，圖2為開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的S21曲線。圖2的上方曲線為開(kāi)關(guān)截止時(shí)的S21，下方曲線為截止時(shí)的S22(反映輸出端的反射特性)。由圖知該開(kāi)關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)下的插入損耗僅為-0.259 dB；而在隔離狀態(tài)下中心頻率附近的傳輸損耗為-32.205 dB，且輸出端的反射系數(shù)為-34.568 dB。說(shuō)明該開(kāi)關(guān)在以接收機(jī)的工作頻率為中心頻率的寬帶范圍內(nèi)具有良好的導(dǎo)通和截止特性，且在截止?fàn)顟B(tài)下輸出端匹配良好。因?yàn)榻邮諜C(jī)只工作在中心頻率附近的窄帶范圍，故此開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)符合要求，且性能比設(shè)計(jì)指標(biāo)更為優(yōu)越。
3接收機(jī)噪聲測(cè)試結(jié)構(gòu)及具體方法
接收機(jī)所接收到的信號(hào)的載波頻率為63.6 MHz的窄帶信號(hào)，故只需測(cè)量中心頻率63.6 MHz，帶寬范圍較小的噪聲特性。噪聲測(cè)試需要測(cè)量出每一級(jí)的噪聲系數(shù)，而接收機(jī)的每一級(jí)的噪聲系數(shù)及增益各有不同，為了測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須用使用不同的測(cè)量方法。
由于低噪放的噪聲系數(shù)較小，可以直接用噪聲系數(shù)儀測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中用Agilent公司生產(chǎn)的N8973A噪聲儀進(jìn)行測(cè)量，由于接收機(jī)所使用的低噪放直流供電在輸出端，而噪聲系數(shù)儀的輸入端不能直接接直流電，故測(cè)量時(shí)要在
對(duì)于接收機(jī)中噪聲系數(shù)較大的網(wǎng)絡(luò)，需要用上文提到的優(yōu)化Y因子的測(cè)量方法，由于接收機(jī)本身的構(gòu)造以及此種方法中需要放大器工作在放大／不放大2 種狀態(tài)，測(cè)量中需要設(shè)計(jì)控制電路來(lái)達(dá)到測(cè)量要求。如圖3，虛線方框內(nèi)為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的通道切換和前置放大器控制電路、方框外為接收機(jī)模型、放大器輸入端用50 Ω替代接收線圈提供噪聲輸入，同時(shí)為了簡(jiǎn)化框圖，只畫(huà)出接收機(jī)的放大器后2級(jí)。在MRI射頻接收機(jī)中，為低噪聲放大器供電的電壓(DC+10 V，如圖3所示)是從系統(tǒng)的
測(cè)試中，設(shè)置各路開(kāi)關(guān)的控制線，使要測(cè)的那路導(dǎo)通，其余路斷開(kāi)，閉合該通道的直流開(kāi)關(guān)，然后用頻譜儀測(cè)量輸出的噪聲譜密度PNO_n，而后斷開(kāi)該路的直流開(kāi)關(guān)，再用頻譜儀測(cè)量輸出的噪聲譜密度PNO_n，由于室溫T0(290 K)的噪聲譜密度P。約為-174 dBm，設(shè)噪聲源的等效溫度為T(mén)n，Tn，可得：
實(shí)驗(yàn)用的頻譜儀為Agilent公司的F4411B，測(cè)試的中心頻率為63.6 MHz，SPAN取20 MHz。選取“Function”中的“Noise"，設(shè)定合適的VBW／RBW，調(diào)節(jié)RefLevel使頻譜儀位于噪聲基底，當(dāng)Ref Level取-63 dBm時(shí)達(dá)到噪聲基底，經(jīng)“Average”后顯示為-153.1 dBm。控制每路CON線，使得通路再8個(gè)信道轉(zhuǎn)換，重復(fù)以上的測(cè)量步驟，便可得到每一路的噪聲系數(shù)。
4結(jié) 語(yǔ)
利用此種方法對(duì)MRI射頻接收機(jī)各個(gè)通道切換下的各級(jí)進(jìn)行了噪聲系數(shù)測(cè)試，實(shí)測(cè)的各個(gè)通道與設(shè)計(jì)中定義的指標(biāo)值相差0.2 dB范圍內(nèi)，且由于高頻通信系統(tǒng)的接收部分具有一定的共性，即通常下考慮整個(gè)接收機(jī)的噪聲系數(shù)特性，接收機(jī)的第一級(jí)都要接前置低噪聲放大器。故此類方法可以推廣到其他的射頻接收機(jī)當(dāng)中。
本文解決了射頻接收機(jī)多路信道噪聲系數(shù)比較以及接收機(jī)不同模塊的噪聲系數(shù)測(cè)量。獨(dú)創(chuàng)性地利用接收機(jī)前端的低噪聲放大器提供冷熱噪聲源優(yōu)化Y因子測(cè)量方法，并以MRI射頻接收機(jī)為例設(shè)計(jì)出性能優(yōu)越的多路射頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)信道切換，實(shí)踐證明該方法是適用而有效的。