噪聲系數(shù)測量方法原理

1.噪聲系數(shù)測量技術(shù)

為了選擇適當(dāng)?shù)膬x表滿足測量噪聲系數(shù)的要求，有必要首先了解一些測試噪聲系數(shù)的基本原理以及與之相關(guān)的測量結(jié)果的不確定性。噪聲系數(shù)測量的不確定性不僅取決于測試設(shè)備，同時也是被測器件(DUT)的某些特征，例如S參數(shù)是噪聲參數(shù)的函數(shù)。

目前，用于測量噪聲系數(shù)的方法主要有兩種。最流行的方法稱為Y因子技術(shù)或者冷/ 熱噪聲源技術(shù)。Y 因子方法使用一個與DUT 的輸入端直接相連的噪聲源，提供兩個輸入噪聲電平。這種方法測試DUT的噪聲系數(shù)和標(biāo)量增益。用頻譜分析儀和噪聲系數(shù)分析儀測試噪聲系數(shù)用的就是這種方法。Y因子技術(shù)易于使用，特別是當(dāng)噪聲源具有良好的源匹配并且可以與DUT直接連接時，測試結(jié)果的精度是很好的。

測試噪聲系數(shù)的另一方法稱為冷噪聲源或者直接噪聲方法。這種方法不在DUT的輸入端連接一個噪聲源，而是只需要一個已知的負(fù)載(通常為50歐姆)。但是，冷源方法需要單獨測量DUT 的增益。這種方法特別適用于用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試噪聲系數(shù)，因為可以用矢量誤差校準(zhǔn)的方法來得到非常精確的增益(S21) 測量結(jié)果。使用安捷倫科技最新一代微波網(wǎng)絡(luò)分析儀PNA-X測試噪聲系數(shù)時，矢量誤差校準(zhǔn)技術(shù)和PNA-X 獨特的源校準(zhǔn)方法相結(jié)合，可以得到業(yè)界最高的噪聲系數(shù)測量精度。

冷噪聲源方法還具有只需與DUT進(jìn)行一次連接便可同時測量S 參數(shù)和噪聲系數(shù)的優(yōu)點。冷噪聲源方法雖然在測試的時候不需要噪聲源，但是在系統(tǒng)的校準(zhǔn)過程中，需要使用噪聲源。

2.噪聲系數(shù)測量系統(tǒng)的組成

一個系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)是三個獨立部分的各自貢獻(xiàn)的綜合結(jié)果— 用于測量噪聲系數(shù)的儀表、測量或者校準(zhǔn)時所用的噪聲源，以及DUT。Y因子方法是大多數(shù)噪聲系數(shù)測量的基本方法，它用一個噪聲源來確定DUT內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲，無論是進(jìn)行校準(zhǔn)還是進(jìn)行測量的時候，都需要用到這個噪聲源。與之相比，冷噪聲源方法只是在校準(zhǔn)的時才使用噪聲源，如下圖所示。

圖1 測量噪聲系數(shù)所需要的基本組成部分

在這份資料后面的內(nèi)容中將對上圖中的各個部分做詳細(xì)的描述?？梢允褂肶 因子方法進(jìn)行測試的儀表有噪聲系數(shù)分析儀(NFA) 和配置有噪聲系數(shù)測試功能選件的信號/ 頻譜分析儀。而使用冷噪聲源技術(shù)的儀表目前只是配置了噪聲系數(shù)測試功能選件的PNA-X 微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

3.測量噪聲系統(tǒng)的三種儀器

1）噪聲系數(shù)分析儀(NFA)：

作為噪聲系數(shù)測量解決方案的領(lǐng)先者，安捷倫提供當(dāng)今市場上用于測量噪聲系數(shù)的唯一的單臺儀表解決方案。NFA系列是專為精確地進(jìn)行噪聲系數(shù)測量而設(shè)計的，配有標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部前置放大器，有三個頻率范圍可供選擇： 3、6.7 和26.5GHz。NFA 系列也可以與多種寬待下變頻器一起使用，最高的測試頻率可以達(dá)到110GHz。NFA 系列采用Y 因子方法測量噪聲系數(shù)，儀表本身的噪聲系數(shù)很低。在基于信號/頻譜分析儀的噪聲系數(shù)測試儀的應(yīng)用靈活性和基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的噪聲系數(shù)測試儀的最高的測試精度之間，NFA 不乏是一種非常好的取中的方案。

2）信號/頻譜分析儀：

在應(yīng)用比較靈活的頻譜分析儀上增加特殊的選件使之具有噪聲系數(shù)測試的功能是一種比較經(jīng)濟(jì)的噪聲系數(shù)測試方法。這種方法也使用Y因子法，它的測試精度和測試的頻率范圍取決于采用的是哪一種信號/頻譜分析儀; 通過在儀表內(nèi)部或外部增加信號前置放大器可以提高測試的精度。

3）網(wǎng)絡(luò)分析儀：

如果需要最高精度的噪聲系數(shù)測量結(jié)果，請選擇使用安捷倫PNA-X 微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和專為測試噪聲系數(shù)而配的選件和附件(噪聲系數(shù)測試選件029和兩個電子校準(zhǔn)件)。使用PNA-X測量噪聲系數(shù)使用冷噪聲源技術(shù); 它的另一個顯著的優(yōu)點是只要一次把被測器件與測試儀表連接好，就可以同時完成S 參數(shù)和噪聲系數(shù)的測量，極大地提高了測試效率。

4.選擇噪聲源

測量噪聲系數(shù)時，噪聲源的質(zhì)量對于獲得精確和可復(fù)驗性很好的測量結(jié)果非常關(guān)鍵，安捷倫噪聲源的ENR都通過了非常仔細(xì)的校準(zhǔn)，其精度可以溯源到美國和英國的國家標(biāo)準(zhǔn)研究所。噪聲源的輸出是以頻率范圍和ENR定義的。標(biāo)稱值為6dB和15dB的ENR是最常用的。ENR值比較底時可以把由于噪聲檢測儀的非線性導(dǎo)致的誤差降到最低。如果在儀表檢測儀的更小范圍(從而也是線性更好的范圍) 內(nèi)進(jìn)行測量，則此誤差還會更小。6dB 的ENR 噪聲源所用的檢測儀范圍比15dB 的ENR 噪聲源更小。

6dB ENR 噪聲源用于：
● 測量其增益對源阻抗變化特別敏感的器件
● 噪聲系數(shù)非常低的DUT
● 器件的噪聲系數(shù)不超過15dB

15dB ENR 噪聲源用于：
● 用于測量高達(dá)30dB 的噪聲系數(shù)
● 測量高增益設(shè)器件，用戶校準(zhǔn)儀表的整個動態(tài)范圍

5.專用噪聲系數(shù)分析儀

NFA是專用的噪聲系數(shù)分析儀產(chǎn)品，專為綜合表征DUT 的特征而設(shè)計。這些分析儀不但具有噪聲系數(shù)計的傳統(tǒng)優(yōu)點，而且增加了研發(fā)和生產(chǎn)測試工程師及技術(shù)人員所需要的最常用的特性和功能。簡單易用的特性使任何工程師或者技術(shù)人員都能快速、正確地進(jìn)行測試的設(shè)置，用不同格式顯示測量結(jié)果，并可以把測試結(jié)果打印出來或者存儲在磁盤上。此外，顯示在儀表屏幕上的指標(biāo)限制線大大地簡化了合格/ 不合格測試。通過選擇不同的頻率范圍、使用高性能特性和不同的測量帶寬可以嚴(yán)格地比照所要求的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測量。NFA提供足以信賴的可復(fù)驗性好、可靠性高的測試結(jié)果。因此，可以在研發(fā)階段設(shè)計出非常健全的原型產(chǎn)品，并在生產(chǎn)過程中獲得更高的合格率和產(chǎn)量。

NFA的特點：

●3、6.7和26.5GHz一體化測試儀表，通過外部寬帶下變頻可以擴(kuò)展到110GHz
● 有詳實的技術(shù)指標(biāo)說明這些儀表在頻率高達(dá)26.5GHz以及配置了內(nèi)部前置放大器時的性能
● 可以使用安捷倫科技智能噪聲源系列和346 系列噪聲源
● 內(nèi)裝測量結(jié)果不確定性計算程序

圖2 噪聲系數(shù)分析儀NFA