噪声系数的含义和测量方法

Y 因子法

我们在这里要仔细看一下 Y 因子法。使用噪声源我们可以得到两个噪声功率的测量果: 一个是在噪声源处在冷 (噪声二极管是关闭的) 状态下得到的，另一个是在噪声源处在热 (噪声二极管是打开的) 状态下得到的。从这两个测量结果和噪声源已知的 ENR 的值我们就可以计算出两个变量的结果 — 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，测量仪表中噪声测量接收机的噪声也会被测量到。为了把这部分附加的噪声从测量结果中去除掉，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量仪表连接起来，测量仪表内噪声测量接收机的噪声系数。经过校准之后，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全部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准，这是因为被测器件噪声系数的测量结果是基于测试系统第二级 — 测试仪表的噪声测量接收机 — 的增益和噪声系数的值进行校准的。

如果我们把一个放大器输出的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，那么这个关系就会遵循一条直线的关系，如图 3 所示。对于低噪声放大器来说，这是一个很好的假设，因为它们的目的就是放大小信号，它们工作在远离放大器压缩区的区域。即便是输入噪声为零的情况下，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量的噪声存在。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。从图中我们就可以清楚而容易地看出，为什么在求解放大器的增益 (直线的斜率) 和噪声系数 (在 Y 轴上的截点) 这两个参数时需要使用两个噪声功率的测量结果。

图3Y 因子测量法的图解

冷源法

我们来仔细地看看使用冷源法测量噪声系数的技术。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”负载) 温度，只做噪声功率的测量，测量得到的噪声是被放大了的输入噪声再加上放大器或变频器所贡献的噪声。如果可以非常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被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很精确的测量结果，我们必须要在非常精密的程度上知道被测器件的增益。矢量网络分析仪使用 2 端口矢量误差校准技术和其它先进的校准方法可以达到冷源测量法所需要的精度等级，因此，冷源法是非常适合于用矢量网络分析仪测量噪声系数的。

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。和冷源法一样，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。在这里需要主意的是，冷源法测量中所使用的噪声源或功率计只是在校准时才用到，校准之后再对被测器件进行测试时就不再需要了。

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。接下来只需要做一次功率的测量就可以确定这条直线和 Y 轴的交点，从而确定该直线在图中的位置，这样就可以从中推演出被测器件的噪声系数。

图4冷源测量法的图示

需要主意的是，当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。在后面我们将会讨论怎样用被测器件的 S11 和 S22 经过校准的测量结果来校准测量结果中的其它误差项。冷源法测量放大器噪声系数的技术已经被进一步开发使之能够用于测量输入信号的频率和输出信号的频率不一样的变频器件的噪声系数。

测量结果的不确定性

有几个关键因素会影响到整个噪声系数测量结果的不确定性。选择噪声系数测试方案时，非常重要的一点是要选择一种能把影响整个噪声系数不确定性诸因素中最主要因素的影响降低到最小的方法。

这些可以影响噪声系数测量结果不确定性的因素，有一部分可在仪表的技术指标中找到，例如仪表本身测试结果的不确定性、超噪声比(ENR) 的不确定性和抖动等。而其它因素则取决于测试系统与DUT之间的相互作用。例如，由于系统源匹配的不完善(偏离理想的50 欧姆)，就会有两种误差来源。第一个为失配误差，这会导致测试系统与DUT 之间的能量传送不理想。第二个误差源则来自于DUT内部产生的噪声与从DUT一侧看到的源匹配(Γs) 之间的相互作用。下图比较了Y 因子方法与冷噪声源方法(PNA-X 所用的方法) 之间噪声系数测量结果的不确定性。在这个例子中放大器的噪声系数为3dB，增益为15 dB，输入和输出匹配为10dB，其噪声参数也是比较适中的(Fmin = 2.8dB、Γopt = 0.27 + j0 和Rn= 37.4)。

对于Y 因子方法，在计算噪声系数测试结果的不确定性时考虑了两种不同的情况: 一种情况是噪声源与DUT直接连接; 另一种情况是在噪声源和DUT 之间有一个电网络— 用它来仿真自动测试系统(ATE) 中所用到的各种开关和测试电缆，以便把它们带来的损耗在测试结果中校准掉。在这个以PNA-X 为例的示意中包也括了ATE 网络。

图5导致测试结果不确定性的因素

使用Y因子方法，主要的误差来源是噪声源与DUT之间的失配，以及DUT产生的噪声与测试系统之间的相互作用。如果在测试环境中增加了ATE 网络(在噪声源与DUT 之间增加了一个电网络— 主要是开关和测试电缆) 则会导致更大的误差。使用PNA-X 的基于源校准的冷噪声源方法，最大的误差来源是噪声源的ENR的不确定性，在校准的过程中，它会影响PNA-X的内部噪声接收机的测量结果。