噪声系数的测量方法研究

噪声系数的测量方法研究

作者：伍爽刘宇红

来源：《电脑知识与技术》2013年第31期

摘要：该文介绍了三种测量噪声系数的方法：增益法，Y因子法和冷源法。重点介绍了当我们做精确测量时Y因子法的不足和冷源法的突破以及给出了这两种方法的实际测试例子。

关键词：噪声系数测试；增益法；Y因子法；冷源法

中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）31-7125-05

1 概述

随着雷达、卫星通信及无线通信技术的快速发展，器件的噪声对接收通道的影响越来越倍受产品研发人员的关注。任何有源器件都会引入额外的噪声，从而降低系统的性能。我们非常希望能降低和衡量噪声，而噪声系数是最常用的衡量系统噪声的值。因此精确的测试噪声系数非常重要。

2 噪声系数的测量方法

2.1.2 增益法局限

增益法是使用较广，相对成本较低的方法。使用信号源与频谱分析仪即可测量。测量的最大的局限性来自频谱分析仪的噪声基底。因为低增益、小噪声系数的被测件，其输出端的Pout（dBm/Hz）会很小，低于通常的频谱分析仪的噪底-145dBm/Hz，信号会淹没在噪声中，导致无法测量。基本上要使用增益法准确测量噪声系数，就要满足待测系统的输出噪声密度要比频谱仪的底噪高20dB以上。增益法只用于高增益，大噪声系数的测试。

同时频谱分析仪测试增益，真值和测试值也有一定的误差。这是因为热噪声功率[F=KTB]中，实际的等效噪声带宽和频谱仪测试时使用的信号带宽是有偏差的。有些频谱仪给出的修正，而有些频谱仪没有。如HP公司的频谱仪使用频谱仪的分辨带宽乘上1.2来计算，除此之外还要加上2.5dB修正。

2.1.3 增益法可行性分析

2.2 Y因子法

2.2.1 Y因子法概念

Y因子法也称冷/热态噪声源法。如图2所示，噪声源连接到被测放大器的输入端，放大器的输出端连接噪声接收机。噪声源有2种状态：一种是噪声源打开时的“热态”，噪声源产生超过负载在室温环境下所产生的噪声的电噪声加到被测件（这个电噪声的量被称为超噪比）；另一种是噪声源关闭时的“冷态”，相当于一个常温的“冷源”阻抗连接到被测件的输入端。噪声接收机分别在两种状态下测量相应的噪声功率（它们的比值[N热态N冷态]就被称为Y因子），从而可以计算出被测放大器的噪声系数。

然而，Y因子法测试时有三个限制：

1）噪声源与被测器件必须有良好的50 Ω 的匹配

在实际的测试中，因为器材所限或者要同时测量其他很多参数，都无法将噪声源和被测器件的输入端口直接相连接。在这些情况中，测试配置中所用到的附加的电缆、适配器、开关、测试夹具、探头等都无法达到良好的50 Ω匹配，都会引入额外的损耗和反射，这些就使测量系统实际的源匹配性能变差。

如果出现了失配，从噪声源输出的噪声能量将不会被全部传输，这将引起实际增益测量的误差，进而影响整个测量的精确性。

2）噪声源的输出匹配在冷热两种状态下是不变的

实际情况则是有一些变化存在，因为噪声二极管的阻抗值在其有偏置电压和无偏置电压的条件下是不一样的。对于超噪比大并且在二极管和输出连接器之间的衰减比较小的噪声源中，这种冷热状态的变化导致的阻抗变化会非常明显。

3）测量仪表的噪声测量接收机的噪声系数无论是与噪声源连接时还是与被测器件连接时都是一样的，即便是这两种不同的器件与接收机相连接时所呈现的源阻抗有所不同。

不过实际情况是噪声测量接收机的噪声参数将确定其噪声系数是随源阻抗的变化而变化的，这意味着第二级噪声校准应该根据被测器件的 S22 的值进行调整。

2.3 冷源法

2.3.1 冷源法概念

2.3.2冷源法校准和测量

和使用 Y 因子法测量噪声系数的方法一样，冷源法也需要一个校准步骤来表征仪表内噪声测量接收机的噪声系数和增益。这一步骤也需要一个噪声源来完成；或者也可以使用一个功率计做扫频测量来获得接收机的有效噪声带宽。正式测量的时候不需要功率计和噪声源。

使用矢量网络分析仪测量被测器件的增益时可以使用矢量误差校准，这样得到的增益的测量结果会比用 Y 因子法测量得到的结果更精确。矢量校准需要对被测器件的四个 S 参数都进行测量，这需要网络仪做正向和反向两次扫描测量。功率值也可通过网络仪测得，通过增益值和功率值就可以算出噪声系数。

2.3.3冷源法的关键技术

冷源法的一大突破就是对非50 Ω环境下噪声系数测试的修正，传统的噪声系数测量都是在50 Ω的环境下测试的。但是实际上50 Ω的理想环境并不容易实现。并且一个器件的噪声系数会随着呈现在被测器件输入端的源阻抗的变化而改变，而噪声参数就是反应这个变化的值。

噪声参数的测量如图5所示，在这个史密斯图中心位置上的小方块是我们希望对被测器件的噪声系数进行测量的地方，这里对应的是非常理想的50 Ω 源阻抗。不过，测量系统往往不能够提供理想的50 Ω 的匹配。因此，我们特意使用一组非50 Ω 的阻抗值（我们知道这些阻抗的精确值）来测量噪声系数。

4 具体测试举例

4.1 低噪声放大器的测试

在这个例子中我们是把噪声源直接与被测放大器进行连接，可以看出使用冷源法进行测量得到的不确定性也要比使用Y因子法和增益法测量的不确定性明显地小（冷源法测量结果的不确定性为0.2dB，Y因子法为0.5dB，增益法为0.75dB）。

4.2 半导体裸片上的低噪声放大器的测试

图7是对半导体裸片上当低噪声放大器还没有被封装时进行测量的结果进行不确定性分析的例子（所用低噪声放大器指标同上例）。在这种测量应用中噪声源是无法直接与被测放大器进行连接的，必须得用测量电缆和探针与半导体裸片上的器件进行连接。从图中可以看到，用冷源法进行测量的结果的不确定性会因为探针的损耗而有所增加，当测量频率超过 24 GHz 的时候，这种不确定性的增加比较明显。

但是，与使用 Y 因子法和增益法进行测量的不确定相比，冷源法测量结果中的不确定性还是很小的。

同时，对比图6和图7可以发现，同样的放大器与噪声源直接相连与否将明显影响到Y因子法测试的不确定度（直接相连时测量不确定度为0.5dB，通过探针相连时不确定度为

0.75dB）。

5 结束语