噪聲系數(shù)的含義和測量方法

Y 因子法

我們在這里要仔細(xì)看一下 Y 因子法。使用噪聲源我們可以得到兩個噪聲功率的測量果: 一個是在噪聲源處在冷 (噪聲二極管是關(guān)閉的) 狀態(tài)下得到的，另一個是在噪聲源處在熱 (噪聲二極管是打開的) 狀態(tài)下得到的。從這兩個測量結(jié)果和噪聲源已知的 ENR 的值我們就可以計(jì)算出兩個變量的結(jié)果 — 被測放大器的標(biāo)量增益和噪聲系數(shù)。

在對被測器件進(jìn)行測量的同時，測量儀表中噪聲測量接收機(jī)的噪聲也會被測量到。為了把這部分附加的噪聲從測量結(jié)果中去除掉，在測量開始之前需要進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的過程就是把噪聲源與測量儀表連接起來，測量儀表內(nèi)噪聲測量接收機(jī)的噪聲系數(shù)。經(jīng)過校準(zhǔn)之后，使用一個簡單的數(shù)學(xué)表達(dá)式就可以把被測器件的噪聲系數(shù)從全部整個系統(tǒng)的噪聲測量結(jié)果中提取出來。這一步驟被叫做第二級噪聲校準(zhǔn)，這是因?yàn)楸粶y器件噪聲系數(shù)的測量結(jié)果是基于測試系統(tǒng)第二級 — 測試儀表的噪聲測量接收機(jī) — 的增益和噪聲系數(shù)的值進(jìn)行校準(zhǔn)的。

如果我們把一個放大器輸出的噪聲功率與其輸入噪聲功率的關(guān)系畫成圖的話，只要這個放大器是線性的，那么這個關(guān)系就會遵循一條直線的關(guān)系，如圖 3 所示。對于低噪聲放大器來說，這是一個很好的假設(shè)，因?yàn)樗鼈兊哪康木褪欠糯笮⌒盘枺鼈児ぷ髟谶h(yuǎn)離放大器壓縮區(qū)的區(qū)域。即便是輸入噪聲為零的情況下，由于放大器內(nèi)部有源電路自身會產(chǎn)生噪聲的機(jī)理，在放大器的輸出端口上還是會有一定量的噪聲存在。這個由放大器自身所產(chǎn)生的噪聲就是噪聲系數(shù)測量中所要標(biāo)定的量。從圖中我們就可以清楚而容易地看出，為什么在求解放大器的增益 (直線的斜率) 和噪聲系數(shù) (在 Y 軸上的截點(diǎn)) 這兩個參數(shù)時需要使用兩個噪聲功率的測量結(jié)果。

圖3Y 因子測量法的圖解

冷源法

我們來仔細(xì)地看看使用冷源法測量噪聲系數(shù)的技術(shù)。冷源法的技術(shù)在概念上是很簡單的，被測器件的輸入端始終在室溫 (所謂的“冷”負(fù)載) 溫度，只做噪聲功率的測量，測量得到的噪聲是被放大了的輸入噪聲再加上放大器或變頻器所貢獻(xiàn)的噪聲。如果可以非常精確地知道放大器的增益 (或變頻器的變頻增益)，那么就可以從測量結(jié)果中把被放大的輸入噪聲去掉，只留下由被測器件產(chǎn)生的噪聲，由此就可以計(jì)算出噪聲系數(shù)。為了能夠在冷源法測量中得到很精確的測量結(jié)果，我們必須要在非常精密的程度上知道被測器件的增益。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀使用 2 端口矢量誤差校準(zhǔn)技術(shù)和其它先進(jìn)的校準(zhǔn)方法可以達(dá)到冷源測量法所需要的精度等級，因此，冷源法是非常適合于用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量噪聲系數(shù)的。

和使用 Y 因子法測量噪聲系數(shù)的方法一樣，冷源法也需要一個校準(zhǔn)步驟來表征儀表內(nèi)噪聲測量接收機(jī)的噪聲系數(shù)和增益。和冷源法一樣，這一步驟也需要一個噪聲源來完成; 或者也可以使用一個功率計(jì)做掃頻測量來獲得接收機(jī)的有效噪聲帶寬。在這里需要主意的是，冷源法測量中所使用的噪聲源或功率計(jì)只是在校準(zhǔn)時才用到，校準(zhǔn)之后再對被測器件進(jìn)行測試時就不再需要了。

圖 4 是輸出噪聲功率與輸入噪聲功率的關(guān)系圖，在這里，我們可以單獨(dú)測量被測器件的增益而得到這條直線的斜率。接下來只需要做一次功率的測量就可以確定這條直線和 Y 軸的交點(diǎn)，從而確定該直線在圖中的位置，這樣就可以從中推演出被測器件的噪聲系數(shù)。

圖4冷源測量法的圖示

需要主意的是，當(dāng)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量被測器件的增益時可以使用矢量誤差校準(zhǔn)，這樣得到的增益的測量結(jié)果會比用 Y 因子法測量得到的結(jié)果更精確。矢量校準(zhǔn)需要對被測器件的四個 S 參數(shù)都進(jìn)行測量，這需要網(wǎng)絡(luò)儀做正向和反向兩次掃描測量。在后面我們將會討論怎樣用被測器件的 S11 和 S22 經(jīng)過校準(zhǔn)的測量結(jié)果來校準(zhǔn)測量結(jié)果中的其它誤差項(xiàng)。冷源法測量放大器噪聲系數(shù)的技術(shù)已經(jīng)被進(jìn)一步開發(fā)使之能夠用于測量輸入信號的頻率和輸出信號的頻率不一樣的變頻器件的噪聲系數(shù)。

測量結(jié)果的不確定性

有幾個關(guān)鍵因素會影響到整個噪聲系數(shù)測量結(jié)果的不確定性。選擇噪聲系數(shù)測試方案時，非常重要的一點(diǎn)是要選擇一種能把影響整個噪聲系數(shù)不確定性諸因素中最主要因素的影響降低到最小的方法。

這些可以影響噪聲系數(shù)測量結(jié)果不確定性的因素，有一部分可在儀表的技術(shù)指標(biāo)中找到，例如儀表本身測試結(jié)果的不確定性、超噪聲比(ENR) 的不確定性和抖動等。而其它因素則取決于測試系統(tǒng)與DUT之間的相互作用。例如，由于系統(tǒng)源匹配的不完善(偏離理想的50 歐姆)，就會有兩種誤差來源。第一個為失配誤差，這會導(dǎo)致測試系統(tǒng)與DUT 之間的能量傳送不理想。第二個誤差源則來自于DUT內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲與從DUT一側(cè)看到的源匹配(Γs) 之間的相互作用。下圖比較了Y 因子方法與冷噪聲源方法(PNA-X 所用的方法) 之間噪聲系數(shù)測量結(jié)果的不確定性。在這個例子中放大器的噪聲系數(shù)為3dB，增益為15 dB，輸入和輸出匹配為10dB，其噪聲參數(shù)也是比較適中的(Fmin = 2.8dB、Γopt = 0.27 + j0 和Rn= 37.4)。

對于Y 因子方法，在計(jì)算噪聲系數(shù)測試結(jié)果的不確定性時考慮了兩種不同的情況: 一種情況是噪聲源與DUT直接連接; 另一種情況是在噪聲源和DUT 之間有一個電網(wǎng)絡(luò)— 用它來仿真自動測試系統(tǒng)(ATE) 中所用到的各種開關(guān)和測試電纜，以便把它們帶來的損耗在測試結(jié)果中校準(zhǔn)掉。在這個以PNA-X 為例的示意中包也括了ATE 網(wǎng)絡(luò)。

圖5導(dǎo)致測試結(jié)果不確定性的因素

使用Y因子方法，主要的誤差來源是噪聲源與DUT之間的失配，以及DUT產(chǎn)生的噪聲與測試系統(tǒng)之間的相互作用。如果在測試環(huán)境中增加了ATE 網(wǎng)絡(luò)(在噪聲源與DUT 之間增加了一個電網(wǎng)絡(luò)— 主要是開關(guān)和測試電纜) 則會導(dǎo)致更大的誤差。使用PNA-X 的基于源校準(zhǔn)的冷噪聲源方法，最大的誤差來源是噪聲源的ENR的不確定性，在校準(zhǔn)的過程中，它會影響PNA-X的內(nèi)部噪聲接收機(jī)的測量結(jié)果。