噪聲系數測量方法原理

2017-04-03 by:CAE仿真在線來源:互聯網

噪聲系數是表征接收機及其組成部件在有熱噪聲存在的情況下處理微弱信號的能力的關鍵參數之一。例如,在測量低噪聲放大器(LNA) 時,噪聲系數描述的是由于LNA的有源器件在內部產生噪聲而導致信號的信噪比下降。安捷倫提供噪聲系數測試解決方案已有50年的歷史— 從噪聲計到現代基于頻譜、網絡和噪聲系數分析儀的解決方案。使用這些儀表不但可以既方便又快速地進行噪聲系數的測試,而且還可以得到很高的測量精度。噪聲系數的精確測量對于產品的研發和制造都非常關鍵。在研發領域,高測試精度可以保證設計仿真和真實測量之間的可復驗性很高,并有助于發現在仿真過程中未予以考慮的噪聲來源。在生產和制造領域,更高的測試精度意味著在設定和驗證器件的技術指標時可以把指標的余量設定得更小。不言而喻,最終產品的技術指標越高,就越有市場競爭力,要么可以以更高的價格在市場上銷售或者在同樣的價格水平上贏取更大的市場份額。

1.噪聲系數測量技術

為了選擇適當的儀表滿足測量噪聲系數的要求,有必要首先了解一些測試噪聲系數的基本原理以及與之相關的測量結果的不確定性。噪聲系數測量的不確定性不僅取決于測試設備,同時也是被測器件(DUT)的某些特征,例如S參數是噪聲參數的函數。

目前,用于測量噪聲系數的方法主要有兩種。最流行的方法稱為Y因子技術或者冷/ 熱噪聲源技術。Y 因子方法使用一個與DUT 的輸入端直接相連的噪聲源,提供兩個輸入噪聲電平。這種方法測試DUT的噪聲系數和標量增益。用頻譜分析儀和噪聲系數分析儀測試噪聲系數用的就是這種方法。Y因子技術易于使用,特別是當噪聲源具有良好的源匹配并且可以與DUT直接連接時,測試結果的精度是很好的。

測試噪聲系數的另一方法稱為冷噪聲源或者直接噪聲方法。這種方法不在DUT的輸入端連接一個噪聲源,而是只需要一個已知的負載(通常為50歐姆)。但是,冷源方法需要單獨測量DUT 的增益。這種方法特別適用于用矢量網絡分析儀測試噪聲系數,因為可以用矢量誤差校準的方法來得到非常精確的增益(S21) 測量結果。使用安捷倫科技最新一代微波網絡分析儀PNA-X測試噪聲系數時,矢量誤差校準技術和PNA-X 獨特的源校準方法相結合,可以得到業界最高的噪聲系數測量精度。

冷噪聲源方法還具有只需與DUT進行一次連接便可同時測量S 參數和噪聲系數的優點。冷噪聲源方法雖然在測試的時候不需要噪聲源,但是在系統的校準過程中,需要使用噪聲源。

2.噪聲系數測量系統的組成

一個系統總的噪聲系數是三個獨立部分的各自貢獻的綜合結果— 用于測量噪聲系數的儀表、測量或者校準時所用的噪聲源,以及DUT。Y因子方法是大多數噪聲系數測量的基本方法,它用一個噪聲源來確定DUT內部產生的噪聲,無論是進行校準還是進行測量的時候,都需要用到這個噪聲源。與之相比,冷噪聲源方法只是在校準的時才使用噪聲源,如下圖所示。

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圖1 測量噪聲系數所需要的基本組成部分

在這份資料后面的內容中將對上圖中的各個部分做詳細的描述。可以使用Y 因子方法進行測試的儀表有噪聲系數分析儀(NFA) 和配置有噪聲系數測試功能選件的信號/ 頻譜分析儀。而使用冷噪聲源技術的儀表目前只是配置了噪聲系數測試功能選件的PNA-X 微波矢量網絡分析儀。

3.測量噪聲系統的三種儀器

1)噪聲系數分析儀(NFA):

作為噪聲系數測量解決方案的領先者,安捷倫提供當今市場上用于測量噪聲系數的唯一的單臺儀表解決方案。NFA系列是專為精確地進行噪聲系數測量而設計的,配有標準的內部前置放大器,有三個頻率范圍可供選擇: 3、6.7 和26.5GHz。NFA 系列也可以與多種寬待下變頻器一起使用,最高的測試頻率可以達到110GHz。NFA 系列采用Y 因子方法測量噪聲系數,儀表本身的噪聲系數很低。在基于信號/頻譜分析儀的噪聲系數測試儀的應用靈活性和基于矢量網絡分析儀的噪聲系數測試儀的最高的測試精度之間,NFA 不乏是一種非常好的取中的方案。

2)信號/頻譜分析儀:

在應用比較靈活的頻譜分析儀上增加特殊的選件使之具有噪聲系數測試的功能是一種比較經濟的噪聲系數測試方法。這種方法也使用Y因子法,它的測試精度和測試的頻率范圍取決于采用的是哪一種信號/頻譜分析儀; 通過在儀表內部或外部增加信號前置放大器可以提高測試的精度。

3)網絡分析儀:

如果需要最高精度的噪聲系數測量結果,請選擇使用安捷倫PNA-X 微波矢量網絡分析儀和專為測試噪聲系數而配的選件和附件(噪聲系數測試選件029和兩個電子校準件)。使用PNA-X測量噪聲系數使用冷噪聲源技術; 它的另一個顯著的優點是只要一次把被測器件與測試儀表連接好,就可以同時完成S 參數和噪聲系數的測量,極大地提高了測試效率。

4.選擇噪聲源

測量噪聲系數時,噪聲源的質量對于獲得精確和可復驗性很好的測量結果非常關鍵,安捷倫噪聲源的ENR都通過了非常仔細的校準,其精度可以溯源到美國和英國的國家標準研究所。噪聲源的輸出是以頻率范圍和ENR定義的。標稱值為6dB和15dB的ENR是最常用的。ENR值比較底時可以把由于噪聲檢測儀的非線性導致的誤差降到最低。如果在儀表檢測儀的更小范圍(從而也是線性更好的范圍) 內進行測量,則此誤差還會更小。6dB 的ENR 噪聲源所用的檢測儀范圍比15dB 的ENR 噪聲源更小。

6dB ENR 噪聲源用于:
● 測量其增益對源阻抗變化特別敏感的器件
● 噪聲系數非常低的DUT
● 器件的噪聲系數不超過15dB

15dB ENR 噪聲源用于:
● 用于測量高達30dB 的噪聲系數
● 測量高增益設器件,用戶校準儀表的整個動態范圍

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