噪声系数计算方法研究

噪声系数的计算方法

摘要：介绍了测量噪声系数的几种典型测量，重点分析了目前实际工程和研究中最常用的噪声系数测量方法—Y系数法，并对测量误差的主要来源进行了分析，阐述了噪声发生器性能和环境温度变化对测量结果的影响。

关键词：噪声系数；测量误差；Y因子

Methods of Noise Figure Measuring

Abstract：In this paper, it introduced methods of noise figure measuring. Many emphases are put on analyzing Y-factor method which is the most widely-used noise figure measuring method nowadays in practical engineering and study. And analyze the main source of measurement error, explain the effects of noise generator’s performance and the change of environment temperature in measurement results.

Key words: noise figure; measurement error; Y-factor

1 . 前言

噪声系数测量方法基本上取决于两种输入功率条件下, 被测输出功率的测量, 实际上是计算两个噪声功率的相对比值。在怎样改变输入功率方面, 人们采用过热负载与冷负载、气体放电噪声源、限温二极管、信号发生器和现今使用的固态噪声源。测量方法上也有多种, 在先进的噪声系数测量仪器出现以前, 工程师们就想到了很多简易的噪声系数测量方法, 其特点是所需要的设备少, 操作简单, 但测量精度不高, 应用范围比较窄, 虽然如此, 过去被广泛使用的简易测量方法在今天在部分领域仍然有一定的应用价值。

2 噪声系数的典型方法

噪声系数是表征线性二端口网络或二端口变换器系统噪声特性的一个重要参数。它有一种相互等效的定义

F=S i N i

⁄

S0N0

⁄

=

N0

GkT0B

式中：F为噪声系数；S i为网络输入端的资用信号功率；N i为网络输入端的资用噪声功率，N i=kT0B；k为玻尔兹曼常数（k=1.38×10−23J K

⁄）；B为等效接收带宽；T0为标准噪声温度，规定为290K ；S0为网络输出端的资用信号功率；N0为网络输出端资用噪声功率；G=S0S i

⁄为资用信号功率增益。

目前所有的噪声系数测量方法，基本上取决于2种输入功率条件下，对被测器件输出功率的测量。按照测量系统中使用的激励源类型不同，可分为宽带法和窄带法。宽带法用各类噪声发生器作为测试信号源，包括Y系数法、二倍功率法、自动测量法和增益控制法4种；窄带法则用调制或非调制连续波信号发生器作为测试信号源，包括连续波法、正切法和比较法3种。

Y数法是测量噪声系数的一种典型方法。测量中，当被测网络的输入端处于两个不同的资用功率时（例如：噪声发生器的热态和冷态），输出端可以得到两个相应的资用功率，通常把这两个功率之比记作，被测网络的噪声系数为

F=Tℎ−YT C (Y−1)T0

+1

式中：Tℎ为噪声发生器热态噪声温度；T C为噪声发生器冷态噪声温度。Tℎ及T C作为已知量，可以通过对噪声发生器校准得到。

3. 噪声系数的测量方法

3.1直接测量法

直接测量法就是将被测件的输入端接上物理温度为290K 的电阻, 在其输出端测量输出的噪声功率。噪声系数的计算公式如下:

F=S i N i

⁄

S0N0

⁄

=

N0

GkT i B

=

N0

GkT0B

此方法要求知道被测器件的增益和有效频率带宽, 被测件的增益可以通过标量/ 矢量网络分析仪或者信号源和频谱分析仪或功率计测量得到.但是, 由于噪声功率一般比较微弱, 为了能准确测量到输出端的噪声功率, 被测件需要具有较高的增益和较大的噪声系数。

3.2两倍功率法

两倍功率法测量包括两个步骤:

( 1 ) 与直接测量法相同, 测量被测件的输入端接上物理温度为290K的电阻时, 输出端的噪声功率为P out。

( 2 ) 在被测件的输入端接上信号源, 信号源产生测量带宽内的信号输入到被测件, 调整信号源的输出功率, 使得输出端测量得到的噪声功率为2P out , 即步骤(1)的两倍, 读取此时信号源的输出功率P i n。

根据测量方法可得:

P out=N a+GkT0B 2P out=N a+GkT0B+P m G

则

P out=P m G F=

P out

GkT0B

=

P in G

GkT0B

=

P in

kT0B

两倍功率法与直接测量法相比, 其优势在于不需要知道被测件的增益, 而且不需要精确读取输出功率的绝对值, 而只需判断第二次测量时的输出功率是第一次的两倍。

3.3增益测量法

噪声系数换算成对数形式为:

NF=10lgF=10lg

P out GkT0B

=10lgP out−10lgB−10lgkT0−10lgG

=P out(dBm/Hz)+174(dBm/Hz)−Gain(dB)因此增益测量法需要得到被测件的增益和被测件输入端接物理温度为290K 电阻时其输出端的噪声功率谱密度, 功率谱密度的测量可由频谱分析仪测量得到, 只要频谱分析仪允许, 增益法可适用于任何频率范围。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P out (dBm/ Hz) 会很小, 往往远小于一般频谱分析仪的噪声基底, 所以这种测量方法也只适用于高增益、大噪声系数的被测件。

因此, 传统的测量方法无法满足一般增益、小噪声系数等被测件的精确测量, 目前流行的测量方法是Y 因子法。

3.4 Y 因子测量法

目前实际工程和研究中最常用的噪声系数测量方法是Y 因子法,各种噪声系数分析仪也都普遍使用Y 因子法进行噪声系数测量。

噪声源是Y 因子法测量必不可少的设备, 噪声源是能产生两种不同噪声功率的噪声发生器, 通常需DC 脉冲电源驱动电压, 如常用的HP346A/ B/ C 系列