如何使用网络分析仪精确地测量噪声系数? 点击:21 | 回复:0



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发表于:2021-02-24 13:38:11
楼主

测量精度无论是对产品研发还是对产品生产都是很重要的。在产品研发过程中,更高的噪声系数测量精度不仅意味着在产品的仿真和测量结果之间可以有更好的相关性,有助于设计人员更快地把电路模型精细化,它还意味着系统设计人员可以对诸如雷达之类的发射/接收系统的性能进行更好的优化。当把系统的性能指标分解成系统所有各个部件的性能指标时,系统设计人员必须要根据测量精度给每个器件的指标增加防护频带,器件的设计人员也会据此对其器件进行性能验证。具体说到噪声系数,改善的测量精度和更小的防护频带意味着LNA可以有更好的技术指标,进而达到使用较小功率的发射放大器就能够获得同样的系统总体SNR的目的。由此可以使用更小、更轻、更便宜的发射机,这对于机载和星载应用是极为重要的。


 在产品的生产测试中,改善的测量精度还可以允许使用较小的防护频带,这样可以在多个测试站的测量结果中取得更好的相关性,这意味着需要返工的产品越来越少,良率和吞吐量都大有提高,测试成本也进一步下降。更小的防护频带还可以让产品的技术指标更出色、更具竞争性,从而可以以更高的价格销售或是占据更多的市场份额。


什么是噪声系数?

 噪声系数是用来描述一个系统中出现的过多的噪声量的品质因数。把噪声系数降低到最小的程度可以减小噪声对系统造成的影响。在日常生活中,我们可以看到噪声会降低电视画面的质量,也会使无线通信的话音质量变差;在诸如雷达等的军用设备中,噪声会限制系统的有效作用范围;在数字通信系统中,噪声则会增加系统的比特误码率。系统设计人员总是在尽最大努力使整个系统的信噪比(SNR)达到最优,为了达到这个目的,可以用把信号提高的办法,也可以用把噪声降低的办法。在像雷达这样的发射/接收系统中,提高信噪比的一种方法是用更大的大功率放大器来提高发射信号的功率,或使用大口径天线。降低在发射机和接收机之间信号传输路径上的损耗也可以提高SNR,但是信号在传输路径上的损耗大都是由工作环境所决定的,系统设计人员控制不了这方面的因素。还可以通过降低由接收机产生的噪声来提高SNR-通常这都是由接收机前端的低噪声放大器(LNA)的质量决定的。与使用提高发射机功率的方法相比,降低接收机的噪声(以及让接收机的噪声系数的指标更好)的方法会更容易和经济一些。

噪声系数的定义是很简单和直观的。网络的噪声因子(F)的定义是输入信号的SNR除以输出信号的SNR: 

F = (Si/Ni)/(So/No),式中: 

Si =输入信号的功率 

So =输出信号的功率 

Ni =输入噪声功率 

No =输出噪声功率 

把噪声因子用分贝(dB)来表示就是噪声系数(NF): NF = 10*log (F) 

这个对噪声系数的定义对任何电子网络都是正确的,包括那些可以把输入信号的频率变换为另外一个输出频率的电子网络,例如上变频器或下变频器。

 

为了更好地理解噪声系数的定义,我们以放大器为例。放大器的输出信号的功率等于放大器输入信号的功率乘以放大器的增益,如果这个放大器是一个很理想的器件的话,其输出端口上噪声信号的功率也应该等于输入端口上噪声信号的功率乘以放大器的增益,结果是在放大器的输入端口和输出端口上信号的SNR是相同的。然而,实际情况是任何放大器输出信号的噪声功率都比输入信号的噪声功率乘以放大器的增益所得到的结果大,也就是说输出端口上的SNR要比输入端口上的SNR小,即噪声因子F要大于1,或者说噪声系数NF要大于0 dB。

 

在测量并比较噪声系数时,必须要注意的是我们在测量过程中是假定测试系统能够在被测器件(DUT)的输入端口和输出端口上提供非常完美的50Ω 端接负载。但在实际测量中,这样完美的条件永远不会存在。稍后我们会讨论如果测试系统没有完美的50Ω,系统会对噪声系数的测量精度造成怎样的影响。同时,我们也会讲解各种校准和测量方法如何校正由于不理想的50Ω 源匹配引起的误差。

 

另一种用来表达由放大器或系统引入的附加噪声的术语是有效输入温度(Te)。为了理解这个参数,我们需要先看一下无源端接所产生的噪声量的表达方式-kTB,其中k是玻尔兹曼常数,T是以开尔文为单位的端接温度,B是系统带宽。因为在某个给定的带宽内,器件产生的噪声和温度是成正比的,所以,器件所产生的噪声量可以表示为带宽归一化为1 Hz的等效噪声温度。例如,一个超噪比(ENR)为15 dB的商用噪声源所产生的电噪声等效于温度为8880 K的负载端接。任何一个实际器件的噪声系数都可以表示为一个有效输入噪声温度。显然Te不是放大器或变频器的实际物理温度,它是输入端接与一个噪声为零的理想器件相连时的等效温度(单位为开尔文),该器件在输出端口上会产生同样大小的附加噪声,Te与噪声因子的关系是:

 Te = 290*(F - 1)

 图1显示了Te和噪声系数的关系曲线。虽然大部分LNA的特征是用噪声系数来描述的,但是当LNA的噪声系数小于1 dB时,就会经常用Te来描述其噪声特征。在进行与噪声功率相关的计算时,Te也是一个很有用的参数。

 

图1.有效噪声温度和噪声系数的关系

噪声系数的测量技术

 

有两种测量噪声系数的主要方法。最常用的是Y因子法或冷热源法,是德科技的噪声系数分析仪和频谱分析仪都是用这种方法测量噪声系数。

 

Y因子法使用经过校准的噪声源-包括专门设计的通/断噪声二极管,在噪声源的后面还有一个可提供较好的输出匹配的衰减器(图2)。当二极管关闭,即没有偏置电流存在时,噪声源会对被测器件呈现出室温端接负载。当二极管被反向偏置时,它所产生的雪崩效应会产生一个超过室温端接负载的电噪声,这个额外产生的噪声量被表征为"超噪比" (即ENR)。对于一个给定的噪声源,ENR的值会随着频率而变化。根据内部衰减器的情况的不同,典型噪声源的ENR标称值的范围在5 dB到15 dB之间。使用噪声源可以在被测器件的输出端口得到两个噪声功率的测量结果,这两个测量结果的比值(称为Y因子)可用来计算噪声系数。使用Y因子法进行测量还能生成被测器件的标量增益。

 

图2.超噪源的原理图

第二种测量噪声系数的方法是冷源法,有时也把这种方法叫做直接噪声测量法。在被测器件的输入端口连接一个冷(通常是室温的)端接负载,另外再单独测量被测器件的增益。使用矢量网络分析仪(VNA)测量噪声系数就经常采用冷源法,因为这可以使我们在测量放大器或变频器时,只需通过单次连接,就可以完成诸如S参数、压缩、噪声系数等多项指标的测试。

 

Y因子法

 

我们在这里要详细介绍Y因子法。使用噪声源我们可以进行两个噪声功率测量。一个是在噪声源处在冷状态(噪声二极管关闭)下进行,另一个是在噪声源处在热状态(噪声二极管打开)下进行。从这两个测量和噪声源已知的ENR,我们就可以计算出两个变量:被测放大器的标量增益和噪声系数。

 

在对被测器件进行测量的同时,测试仪器中的噪声接收机的噪声也会被测量到。为了去除附加噪声对测量结果的影响,在测量开始之前需要进行校准,校准的过程就是把噪声源与测试仪器相连,然后测量内部噪声接收机的噪声系数。使用一个简单的数学表达式就可以把被测器件的噪声系数从整个系统的噪声测量结果中提取出来。这一步骤被叫做第二级噪声校正,这是因为被测器件的噪声系数是基于测试仪器中的噪声接收机在第二级的增益和噪声系数进行校正的。

 

如果我们把放大器的输出噪声功率与其输入噪声功率的关系画成图的话,只要这个放大器是线性的,那么关系图曲线就会是一条直线,如图3所示。对于LNA来说,这是一个很好的假设,因为它们的目的就是放大那些远离放大器压缩区域的低电平信号。即便是输入噪声为零,由于放大器内部有源电路自身会产生噪声的机理,在放大器的输出端口上还是会有一定的噪声。这个由放大器自身所产生的噪声就是噪声系数测量中所要标定的量。从图中我们就可以轻松地看出,为什么在求解放大器的增益(直线的斜率)和噪声系数(从Y轴截获点导出)时需要进行上述两个噪声功率测量。

 

图3. Y因子法的图解

冷源法

 

我们在这里要详细介绍冷源法。冷源法的技术在概念上是很简单的,被测器件的输入端始终在室温(所谓的"冷"端接)条件下,只进行噪声功率测量,测得的噪声是经放大的输入噪声再加上放大器或变频器所产生的噪声。如果可以精确地知道放大器的增益(或变频器的变频增益),那么就可以从测量结果中把经放大的输入噪声去掉,只留下由被测器件产生的噪声,由此就可以计算出噪声系数。为了能够在冷源法测量中得到精确的结果,我们必须要对被测器件的增益了如指掌。矢量网络分析仪使用2端口矢量误差校正技术和其他先进的校准方法可以达到冷源法所需的精度,因此,冷源法是矢量网络分析仪进行噪声系数测量的理想选择。

 

同Y因子法一样,冷源法也需要一个校准步骤来表征仪器内部噪声接收机的噪声系数和增益。另外,这一步骤也需要一个噪声源来完成;或者也可以使用功率计做扫频测量来确定接收机的有效噪声带宽。注意,冷源法所使用的噪声源或功率计只是在校准时才用到,被测器件进行测量时就不需要。

 

图4是输出噪声功率与输入噪声功率的关系图,在这里,我们可以单独测量被测器件的增益而得到这条直线的斜率。接下来只需进行一次功率测量就能确定这条直线和Y轴的交点,从而确定该直线在图中的位置,这样就可以推导出被测器件的噪声系数。

 

图4.冷源法的图解

注意,当使用VNA测量被测器件的增益时可以采用矢量误差校正技术,由此得到的增益测量结果要比用Y因子法测得的更加精确。矢量误差校正要求对被测器件的四个S参数都进行测量,这需要分析仪做正向和反向两次扫描。在后面我们将会讨论如何利用被测器件经过校正的S11和S22参数来校正测量结果中的其他误差。冷源法已经被进一步开发和应用到变频器的测量,其中输入频率和输出频率并不相同。以上有关网络分析仪精确测量噪声系数相关知识由安泰网络分析仪维修中心网整理发布,更多有关知识欢迎访问安泰维修网,关注公众号:安泰测试

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