噪声系数测量中误差分析和不确定度的评定

面，这就自动考虑了被测件的输出和噪声仪的输入
之间的任何损耗，事实上这些损耗被考虑在仪器的
噪声系数中。如果为了接入被测件，而在ＤＵＴ输
入端加入适配器时，必须考虑适配器的修正。如果 需要一个放大器作为测量系统的一部分，应该把它
包含在校准环路中，且其输入连接器应与噪声源输 出连接器相兼容。
８０８半导体技术第３５卷第８期
双边带工作，就应该做双边带测量，如气象雷达，
但大多数应用是单边带的，所以尽可能做单边带测
量。做单边带测量时，须增加一个镜像滤波器，且
要修正其对噪声源的起噪比ＥＮＲ的影响。需要注
意的是，ＥＮＲ和被测件的噪声系数在ＵＳＢ和ＬＳＢ
相等的情况下，单边带测量的噪声系数较双边带大
３ ｄＢ。
２．９损耗的修正
测量之前的校准将在噪声源的输出端建立参考
在噪声系数的测试过程中，噪声源的选择很重 要。所选噪声源的频率范围要覆盖所需频率，且 ＥＮＲ随频率无谐振点，以便内插使用。测量频率 变换器件时，噪声源必须能覆盖被测件的输入和输 出频率。如果一个噪声源不能覆盖被测件的输入和 输出频率，可以使用两个噪声源，分别用于测量和 校准。 ２．３减小失配不确定度
ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｅｒｒｏｒ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｅｖｉｔａｂｌｅ ｅｒｒｏｒｓ ｉｎｄｕｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ．Ｔｈｅ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ
ｎｏｉｓｅ ｆｉｇｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｏｆ ｎｏｉｓｅ ｆｉｇｕｒｅ ｉｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ ＤＵＴ ａｎｄ ｔｈｅ ｇａｉｎ ｏｆ ＤＵＴ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｎｏｉｓｅ ｆｉｇｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｉｓ ０．４１— ０．６３ ｄＢ．Ｉｔ’Ｓ ｈｅｌｐｆｕｌ ｉｎ ａｃｃｕｒａｔｅ ｎｏｉｓｅ ｆｉｇｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．
Ｆｉｇ．２ ３－Ｄ ｐｌｏｔ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｖｓ ｎｏｉｓｅ ｆｉｇｕｒｅ ａｎｄ ｇａｉｎ
用噪声系数仪测量被测件的噪声系数，相当于 被测件与噪声系数仪级联：被测件作为第一级，噪 声系数分析仪作为第二级，如图３所示［５｜。
ｉ‰＞放—匪矗习叫豆圃
图３不确定度计算示意图
Ｆｉｇ．３ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
①当被测件噪声系数最小，增益最小时，计算 测量不确定度
ＮＦｌ＝３ ｄＢ，Ｆｌ＝１．９９５ ３，Ｇ１＝０ ｄＢ，Ｇ＝１．０００ ０，
胛１２＝５ ｄＢ，Ｆ２：３．１６２ ３，Ｆ１２／Ｆ１＝２．０８３ ７，Ｒ／Ｆ１ Ｇｌ＝
１．５８４ ９，（Ｆ２－１）／ＦｌＧｌ＝１．０８３ ７，Ｆ１２／Ｆｌ—Ｆ２／ＦｌＧｌ ＝０．４９８ ８，艿』、Ｆ１２＝０．１ ｄＢ，艿ＮＦ２＝０．１ ｄＢ，艿Ｇ＝ ０．１５ ｄＢ，奄ＥＮＲ＝０．１８ ｄＢ ｏ
噪声系数不确定度与被测件噪声系数增益的关 系三维表示如图２。当被测件噪声系数小、增益也 小时，噪声系数测量的不确定度就大；反之，当被 测件的噪声系数大、增益也大时，噪声系数测量的 不确定度就小，可见其影响之大。下面以具体被测 件为例来计算测量不确定度的范围［２］。
图２不确定度（Ｕ）与被测件噪声系数（ＮＦ）、增益 （Ｇ）关系的三维表示
关键词：噪声系数；原理；测量；误差；不确定度 中图分类号：ＴＮ３０４．０７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３．３５３Ｘ（２０１０）０８．０８０６—０４
Ｅｒｒｏｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｉｎ Ｎｏｉｓｅ Ｆｉｇｕｒｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
Ｃｈｅｎ Ｘｉａｏｈｕａ （Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ，ＨＳＲＩ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００５１，Ｃｈｉｎａ）
按式（１４）计算，ｕＢ＝０．３１５ ８ ｄＢ，合成不确
定度 ｕ。：∥孺：
√０．０１８ ６２＋０．３１５ ８２＝０．３１６ ３（ｄＢ）。 扩展不确定度
噪声源；被测件具有高增益时，可在其后接人衰减
器，避免测量仪器进入非线性区域；噪声源开关
时，被测件增益变化应小于０．０５ ｄＢ。 ２．６避免不稳定和漂移
应该使用稳压电源为被测件供电，开始测量之
前将被测件和噪声系数仪预热至稳定。可考虑保持
一个性能稳定的“参考件”，每天开始测量前，用
参考件验证与前一天获得的数据是否相同。
耻％一等
对式（１１）求偏导数
…）
２０ｌＯ年８月
陈晓华 ：噪声系数测量中误差分析和不确定度的评定
８，产８Ｆ。：～－扣Ｆ２＋Ｆ２Ｇ－＿＿＿＿｝１１６Ｇ－
ＮＦ＝１０ ｌｇＦ
毽ＮＦ＝４．３４ Ｉ占Ｆ
代入式（１２），则 （１２）
８胛ｔ＝鲁８胛。：一而Ｆ２ ８胛：＋锭８Ｇｌ（１３）
根据式（１３）和ＥＮＲ的不确定度，计算由测试系
万方数据
２．１０温度修正 ＥＮＲ的修正。
ＥＮＲ＝（巩一％）／％，但实际使用时Ｔ。ｆｆ≠ｒｏ， 修正为
ＥＮＲ””＝ＥＮＲ耗修正包括两部分：耗散性（电阻性的）损耗和
反射性（失配性）损耗。其中耗散性损耗与其物理
温度有关，需要送人环境温度，以便修正。
３ 噪声系数测量不确定度的分析
咿蕊骢黔备
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３．３５３ｘ．２０１０．０８．０１７
噪声系数测量中误差分析和不确定度的评定
陈晓华
（河北半导体研究所计量中心，石家庄０５００５１）
摘要：噪声系数是评估电子装备的关键参数之一，噪声系数的高低决定着接收机的性能。介 绍了噪声系数的测量方法，分析了在实际测试过程中所有可能的测量误差来源以及可以避免或减 小的方法。由于不可避免的测量误差引入了测量不确定度，因此给出了噪声系数测量结果的不确 定度的评定方法。噪声系数测量的不确定度与被测件的噪声系数及增益关系密切，针对本测试系 统，计算出测试结果不确定度的范围为０．４１～０．６３ ｄＢ。本研究对提高任何频段噪声系数测试结 果的准确度具有参考意义。
，。ｃ弓２ｊ—一·—，一—ｙｃ弓１ｊ＝—ｒｔ一，（ｊ２Ｔ‘—ｈ—玎ｔ） （７）
则
ＮＦ＝１０ ｌｇ［（ｎ—ｔ）／疋］一１０ ｌｇ（Ｙ一１）
（８）
而１０ ｌｇ［（Ｔｈ—Ｔ。）／Ｔ。］＝ＥＮＲ，即为噪声源的 超噪比，它反应噪声源输出噪声功率的能力。ｙ是
输出噪声功率谱密度在噪声源开启和关闭时的差
值。在噪声源超噪比已知的情况下，测得ｌ，因子，
避免不了，避免不了的误差就引入了测试结果的不 确定度。因此，在测试前一定要分析可能影响测试 结果的因素，提高噪声系数测试的准确度，以得到 最佳的测试结果。
１ 噪声系数测量方法
目前最常用的噪声系数测量方法是ｙ因子法。 这种测量方法的基础是依赖于线性两端口器件的基
本特性，即器件的输出噪声功率与输入噪声功率成
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｏｉｓｅ ｆｉｇｕｒｅ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｉｔ ｉｓ ａｌｓｏ ａ ｋｅｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｎ ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｆｉｇｕｒｅ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ ｓｏｕｒｏｅ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｅｒｒｏｒ ｉｎ ａｃｔｕａｌ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈａｄ ｏｆ ａｖｏｉｄｉｎｇ ｅｒｒｏｒ ｏｒ
（９）
否则，应在被测件和仪器之间加入一个窄带滤波
器，但滤波器的损耗会增加仪器的等效噪声系数，
必须在滤波器前加入低噪声放大器，尽量减少引入
新的不确定度。
２．８变频器件测量的考虑 如果一个被测件输入和输出之间有频率变换，
即测量频率和校准频率是不相同的，必须考虑是双
边带测量还是单边带测量。这取决于应用，系统是
统不准确引入的不确定度ｕ。为
”雁面万磊菊—器ｉ碡焉丽可
（１４）
根据式（１４），在已知噪声系数分析仪和噪声源技 术指标以及一组测试和失配数据的前提下，就可以 很容易计算出不含失配情况下和含失配情况下的合 成不确定度Ⅱ。根据图２，被测件噪声系数、增益 和不确定度的关系，以９６ ＧＨｚ放大器计算噪声系数 测量不确定度Ｍ的范围。
就直接可以算得噪声系数［３｜。
２ 可以避免或减小的测量误差
为了获得尽可能准确的测试数据，就必须减少 测试过程中影响测试结果的因素。在测试过程中，
Ａｕｇｕｓｔ ２０１０
万方数据
如果误差被叠加，测试的准确度就会变得很差。对 于精确测试来说，弄清楚测试过程中都有哪些误差 存在，其中哪些误差是可以通过采取措施减小或避 免的，这对保证测试结果准确、可靠是很重要的。 下面就介绍在噪声系数测试过程中１０种减小误差 的方法【４｜。 ２．１ 屏蔽干扰
Ⅳ２
／ Ⅳｐ 垆ⅥｙⅣ．‘≥Ⅳ ⅣＩ
Ⅳ２
Ⅳｌ
Ｎ．
图１ Ｙ凼子法腺理框图 Ｆｉｇ．１ Ｏｖｅｒａｌｌ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ Ｙ ｆａｃｔｏｒ
从图１可知
ｙ一丝一茎竺！塾±堡１
（５）
１一Ｎ１一ＫＧＢ（Ｔ。＋Ｔ。）
式帆＝等旱
’
即
。 ，一
ｒ。＋％
２
ｃ；ｊ一，，一ｌ，ｃ；；一，ｊ
（６）
ｒｏ
Ｙ一１
当Ｔ。＝Ｔｏ＝２９０ Ｋ时
噪声系数测量是建立在线性网络理论基础上 的，因此要防止被测件和测量仪器处于非线性状 态。要注意如下情况：不要测量非线性器件；不要 测量有ＡＧＣ的电路；根据被测件情况，用低ＥＮＲ
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０１．３５ Ｎｏ．８ ８０７
陈晓华 ：噪声系数测量中误差分析和不确定度的评定
线性关系，器件的输出噪声功率表示为怛】
Ｎ。＝Ｎ。＋ＫＴ。ＢＧ
（１）
８０６半导体技术第３５卷第８期
万方数据
２０１０年８月
陈晓华 ：噪声系教测量中误差分析和不确定度的评定
噪声系数
Ｆ＝（Ⅳ。＋ＫＴｏＢＧ）／ＫＴｏＢＧ
（２）
或
Ｆ＝（ｒ。＋％）／％
（３）
则
Ｔ。＝７＂０（Ｆ一１）
（４）
式中ｒ。即为等效输入噪声温度，简称噪声温度。 系统的噪声系数如图１所示。
在测量和校准通路中，任何失配都可能产生噪 声功率的反射，失配不确定度将矢量合成，贡献于 总测量不确定度。最好的测量技术就是尽量减小失 配，然后把剩余的部分计入总的不确定度。减小失 配的方法是，在被测件前后加隔离器或衰减器。 ２．４减小抖动
可以使用平均值法减小测试过程中因抖动引入 的误差：Ⅳ个读数的平均，将减小抖动至￣／Ⅳ，１０ 个读数的平均可减小抖动至３０％。建议使用平均 值法时，先使用迹线平均。检查是否有尖峰或台阶 等不正常显示，没有问题就可以改为点平均，以提 高测量速度。 ２．５避免非线性
干扰信号主要来源于荧光灯、附近仪器和计算 机、移动通信设备、双向无线通信机、本地电台、 电视台等。干扰的主要方式有直接辐射、静电、静 磁或电磁场引起的电压和电流。为了排除这些干 扰，建议使用表面清洁无磨损的带螺纹的连接器， 或用双层屏蔽的电缆和ＧＰＩＢ电缆，条件允许时可 在屏蔽室内进行测量。 ２．２选择合适的噪声源
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎｏｉｓｅ ｆｉｇｕｒｅ；ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｅｒｒｏｒ；ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ＥＥＡＣＣ：７２１０Ｘ
０ 引言
任何电子设备都会产生噪声。一般来说，噪声 是有害的，因为它干扰甚至淹没有用的信号，特别 是在信号十分微弱的情况下，噪声的危害更为明 显…１。降低器件噪声以便提高系统的信号传输质量 和作用距离，以适应技术的发展，精确测量器件噪 声系数显得越来越重要。低的噪声系数可以改善模 拟接收机的信噪比，也可以降低数字接收机的误码 率，但实际测试中有很多因素影响噪声系数的测试 结果。测试时所引入的误差有的可以避免，有的则
２．７选择合适的测量带宽 通常仪器的测量带宽要远小于被测件的带宽。
但当带宽变窄时，要减小抖动就必须增加平均数，
即增加测量时间，因此要折衷考虑。如果仪器带宽
大于被测件的带宽，或校准带宽大于测量带宽，就
可能产生误差。如果满足如下条件，引入的误差很
小，则可以忽略。
Ｇｄ。ｔ》１０ ｌｇ（Ｂ ｃａｌｉｌ ｂｒａｔｉｏｎ／Ｂ。。。。。。。。。Ｉ）