2019年11月20日 | 噪声系数测量方法原理

    噪声系数是表征接收机及其组成部件在有热噪声存在的情况下处理微弱信号的能力的关键参数之一。例如，在测量低噪声放大器(LNA) 时，噪声系数描述的是由于LNA的有源器件在内部产生噪声而导致信号的信噪比下降。安捷伦提供噪声系数测试解决方案已有50年的历史— 从噪声计到现代基于频谱、网络和噪声系数分析仪的解决方案。使用这些仪表不但可以既方便又快速地进行噪声系数的测试，而且还可以得到很高的测量精度。噪声系数的精确测量对于产品的研发和制造都非常关键。在研发领域，高测试精度可以保证设计仿真和真实测量之间的可复验性很高，并有助于发现在仿真过程中未予以考虑的噪声来源。在生产和制造领域，更高的测试精度意味着在设定和验证器件的技术指标时可以把指标的余量设定得更小。不言而喻，最终产品的技术指标越高，就越有市场竞争力，要么可以以更高的价格在市场上销售或者在同样的价格水平上赢取更大的市场份额。

1.噪声系数测量技术
    为了选择适当的仪表满足测量噪声系数的要求，有必要首先了解一些测试噪声系数的基本原理以及与之相关的测量结果的不确定性。噪声系数测量的不确定性不仅取决于测试设备，同时也是被测器件(DUT)的某些特征，例如S参数是噪声参数的函数。

    目前，用于测量噪声系数的方法主要有两种。最流行的方法称为Y因子技术或者冷/ 热噪声源技术。Y 因子方法使用一个与DUT 的输入端直接相连的噪声源，提供两个输入噪声电平。这种方法测试DUT的噪声系数和标量增益。用频谱分析仪和噪声系数分析仪测试噪声系数用的就是这种方法。Y因子技术易于使用，特别是当噪声源具有良好的源匹配并且可以与DUT直接连接时，测试结果的精度是很好的。

    测试噪声系数的另一方法称为冷噪声源或者直接噪声方法。这种方法不在DUT的输入端连接一个噪声源，而是只需要一个已知的负载(通常为50欧姆)。但是，冷源方法需要单独测量DUT 的增益。这种方法特别适用于用矢量网络分析仪测试噪声系数，因为可以用矢量误差校准的方法来得到非常精确的增益(S21) 测量结果。使用安捷伦科技最新一代微波网络分析仪PNA-X测试噪声系数时，矢量误差校准技术和PNA-X 独特的源校准方法相结合，可以得到业界最高的噪声系数测量精度。

    冷噪声源方法还具有只需与DUT进行一次连接便可同时测量S 参数和噪声系数的优点。冷噪声源方法虽然在测试的时候不需要噪声源，但是在系统的校准过程中，需要使用噪声源。

2.噪声系数测量系统的组成
    一个系统总的噪声系数是三个独立部分的各自贡献的综合结果— 用于测量噪声系数的仪表、测量或者校准时所用的噪声源，以及DUT。Y因子方法是大多数噪声系数测量的基本方法，它用一个噪声源来确定DUT内部产生的噪声，无论是进行校准还是进行测量的时候，都需要用到这个噪声源。与之相比，冷噪声源方法只是在校准的时才使用噪声源，如下图所示。

图1  测量噪声系数所需要的基本组成部分

    在这份资料后面的内容中将对上图中的各个部分做详细的描述。可以使用Y 因子方法进行测试的仪表有噪声系数分析仪(NFA) 和配置有噪声系数测试功能选件的信号/ 频谱分析仪。而使用冷噪声源技术的仪表目前只是配置了噪声系数测试功能选件的PNA-X 微波矢量网络分析仪。

3.测量噪声系统的三种仪器
    1）噪声系数分析仪(NFA):

    作为噪声系数测量解决方案的领先者，安捷伦提供当今市场上用于测量噪声系数的唯一的单台仪表解决方案。NFA系列是专为精确地进行噪声系数测量而设计的，配有标准的内部前置放大器，有三个频率范围可供选择: 3、6.7 和26.5GHz。NFA 系列也可以与多种宽待下变频器一起使用，最高的测试频率可以达到110GHz。NFA 系列采用Y 因子方法测量噪声系数，仪表本身的噪声系数很低。在基于信号/频谱分析仪的噪声系数测试仪的应用灵活性和基于矢量网络分析仪的噪声系数测试仪的最高的测试精度之间，NFA 不乏是一种非常好的取中的方案。

    2）信号/频谱分析仪:

    在应用比较灵活的频谱分析仪上增加特殊的选件使之具有噪声系数测试的功能是一种比较经济的噪声系数测试方法。这种方法也使用Y因子法，它的测试精度和测试的频率范围取决于采用的是哪一种信号/频谱分析仪; 通过在仪表内部或外部增加信号前置放大器可以提高测试的精度。

    3）网络分析仪:

    如果需要最高精度的噪声系数测量结果，请选择使用安捷伦PNA-X 微波矢量网络分析仪和专为测试噪声系数而配的选件和附件(噪声系数测试选件029和两个电子校准件)。使用PNA-X测量噪声系数使用冷噪声源技术; 它的另一个显著的优点是只要一次把被测器件与测试仪表连接好，就可以同时完成S 参数和噪声系数的测量，极大地提高了测试效率。

4.选择噪声源
    测量噪声系数时，噪声源的质量对于获得精确和可复验性很好的测量结果非常关键，安捷伦噪声源的ENR都通过了非常仔细的校准，其精度可以溯源到美国和英国的国家标准研究所。噪声源的输出是以频率范围和ENR定义的。标称值为6dB和15dB的ENR是最常用的。ENR值比较底时可以把由于噪声检测仪的非线性导致的误差降到最低。如果在仪表检测仪的更小范围(从而也是线性更好的范围) 内进行测量，则此误差还会更小。6dB 的ENR 噪声源所用的检测仪范围比15dB 的ENR 噪声源更小。

   6dB ENR 噪声源用于:
   ● 测量其增益对源阻抗变化特别敏感的器件
   ● 噪声系数非常低的DUT
   ● 器件的噪声系数不超过15dB

   15dB ENR 噪声源用于:
   ● 用于测量高达30dB 的噪声系数
   ● 测量高增益设器件，用户校准仪表的整个动态范围

5.专用噪声系数分析仪
    NFA是专用的噪声系数分析仪产品，专为综合表征DUT 的特征而设计。这些分析仪不但具有噪声系数计的传统优点，而且增加了研发和生产测试工程师及技术人员所需要的最常用的特性和功能。简单易用的特性使任何工程师或者技术人员都能快速、正确地进行测试的设置，用不同格式显示测量结果，并可以把测试结果打印出来或者存储在磁盘上。此外，显示在仪表屏幕上的指标限制线大大地简化了合格/ 不合格测试。通过选择不同的频率范围、使用高性能特性和不同的测量带宽可以严格地比照所要求的技术指标进行测量。NFA提供足以信赖的可复验性好、可靠性高的测试结果。因此，可以在研发阶段设计出非常健全的原型产品，并在生产过程中获得更高的合格率和产量。

    NFA的特点:
   ● 3、6.7和26.5GHz一体化测试仪表，通过外部宽带下变频可以扩展到110GHz
   ● 有详实的技术指标说明这些仪表在频率高达26.5GHz以及配置了内部前置放大器时的性能
   ● 可以使用安捷伦科技智能噪声源系列和346 系列噪声源
   ● 内装测量结果不确定性计算程序

图2   噪声系数分析仪NFA