測量精度無論是對產(chǎn)品研發(fā)還是對產(chǎn)品生產(chǎn)都是很重要的。在產(chǎn)品研發(fā)過程中，更高的噪聲系數(shù)測量精度不僅意味著在產(chǎn)品的仿真和測量結(jié)果之間可以有更好的相關(guān)性，有助于設(shè)計人員更快地把電路模型精細化，它還意味著系統(tǒng)設(shè)計人員可以對諸如雷達之類的發(fā)射/接收系統(tǒng)的性能進行更好的優(yōu)化。當(dāng)把系統(tǒng)的性能指標(biāo)分解成系統(tǒng)所有各個部件的性能指標(biāo)時，系統(tǒng)設(shè)計人員必須要根據(jù)測量精度給每個器件的指標(biāo)增加防護頻帶，器件的設(shè)計人員也會據(jù)此對其器件進行性能驗證。具體說到噪聲系數(shù)，改善的測量精度和更小的防護頻帶意味著LNA可以有更好的技術(shù)指標(biāo)，進而達到使用較小功率的發(fā)射放大器就能夠獲得同樣的系統(tǒng)總體SNR的目的。由此可以使用更小、更輕、更便宜的發(fā)射機，這對于機載和星載應(yīng)用是極為重要的。

 在產(chǎn)品的生產(chǎn)測試中，改善的測量精度還可以允許使用較小的防護頻帶，這樣可以在多個測試站的測量結(jié)果中取得更好的相關(guān)性，這意味著需要返工的產(chǎn)品越來越少，良率和吞吐量都大有提高，測試成本也進一步下降。更小的防護頻帶還可以讓產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)更出色、更具競爭性，從而可以以更高的價格銷售或是占據(jù)更多的*。

什么是噪聲系數(shù)?

 噪聲系數(shù)是用來描述一個系統(tǒng)中出現(xiàn)的過多的噪聲量的品質(zhì)因數(shù)。把噪聲系數(shù)降低到小的程度可以減小噪聲對系統(tǒng)造成的影響。在日常生活中，我們可以看到噪聲會降低電視畫面的質(zhì)量，也會使無線通信的話音質(zhì)量變差；在諸如雷達等的軍用設(shè)備中，噪聲會限制系統(tǒng)的有效作用范圍；在數(shù)字通信系統(tǒng)中，噪聲則會增加系統(tǒng)的比特誤碼率。系統(tǒng)設(shè)計人員總是在盡大努力使整個系統(tǒng)的信噪比(SNR)達到優(yōu)，為了達到這個目的，可以用把信號提高的辦法，也可以用把噪聲降低的辦法。在像雷達這樣的發(fā)射/接收系統(tǒng)中，提高信噪比的一種方法是用更大的大功率放大器來提高發(fā)射信號的功率，或使用大口徑天線。降低在發(fā)射機和接收機之間信號傳輸路徑上的損耗也可以提高SNR，但是信號在傳輸路徑上的損耗大都是由工作環(huán)境所決定的，系統(tǒng)設(shè)計人員控制不了這方面的因素。還可以通過降低由接收機產(chǎn)生的噪聲來提高SNR－通常這都是由接收機前端的低噪聲放大器(LNA)的質(zhì)量決定的。與使用提高發(fā)射機功率的方法相比，降低接收機的噪聲(以及讓接收機的噪聲系數(shù)的指標(biāo)更好)的方法會更容易和經(jīng)濟一些。

噪聲系數(shù)的定義是很簡單和直觀的。網(wǎng)絡(luò)的噪聲因子(F)的定義是輸入信號的SNR除以輸出信號的SNR: 

F = (Si/Ni)/(So/No)，式中: 

Si =輸入信號的功率 

So =輸出信號的功率 

Ni =輸入噪聲功率 

No =輸出噪聲功率 

把噪聲因子用分貝(dB)來表示就是噪聲系數(shù)(NF): NF = 10*log (F) 

這個對噪聲系數(shù)的定義對任何電子網(wǎng)絡(luò)都是正確的，包括那些可以把輸入信號的頻率變換為另外一個輸出頻率的電子網(wǎng)絡(luò)，例如上變頻器或下變頻器。

為了更好地理解噪聲系數(shù)的定義，我們以放大器為例。放大器的輸出信號的功率等于放大器輸入信號的功率乘以放大器的增益，如果這個放大器是一個很理想的器件的話，其輸出端口上噪聲信號的功率也應(yīng)該等于輸入端口上噪聲信號的功率乘以放大器的增益，結(jié)果是在放大器的輸入端口和輸出端口上信號的SNR是相同的。然而，實際情況是任何放大器輸出信號的噪聲功率都比輸入信號的噪聲功率乘以放大器的增益所得到的結(jié)果大，也就是說輸出端口上的SNR要比輸入端口上的SNR小，即噪聲因子F要大于1，或者說噪聲系數(shù)NF要大于0 dB。

在測量并比較噪聲系數(shù)時，必須要注意的是我們在測量過程中是假定測試系統(tǒng)能夠在被測器件(DUT)的輸入端口和輸出端口上提供非常完美的50Ω 端接負(fù)載。但在實際測量中，這樣完美的條件永遠不會存在。稍后我們會討論如果測試系統(tǒng)沒有完美的50Ω，系統(tǒng)會對噪聲系數(shù)的測量精度造成怎樣的影響。同時，我們也會講解各種校準(zhǔn)和測量方法如何校正由于不理想的50Ω 源匹配引起的誤差。

另一種用來表達由放大器或系統(tǒng)引入的附加噪聲的術(shù)語是有效輸入溫度(Te)。為了理解這個參數(shù)，我們需要先看一下無源端接所產(chǎn)生的噪聲量的表達方式－kTB，其中k是玻爾茲曼常數(shù)，T是以開爾文為單位的端接溫度，B是系統(tǒng)帶寬。因為在某個給定的帶寬內(nèi)，器件產(chǎn)生的噪聲和溫度是成正比的，所以，器件所產(chǎn)生的噪聲量可以表示為帶寬歸一化為1 Hz的等效噪聲溫度。例如，一個超噪比(ENR)為15 dB的商用噪聲源所產(chǎn)生的電噪聲等效于溫度為8880 K的負(fù)載端接。任何一個實際器件的噪聲系數(shù)都可以表示為一個有效輸入噪聲溫度。顯然Te不是放大器或變頻器的實際物理溫度，它是輸入端接與一個噪聲為零的理想器件相連時的等效溫度(單位為開爾文)，該器件在輸出端口上會產(chǎn)生同樣大小的附加噪聲，Te與噪聲因子的關(guān)系是:

 Te = 290*(F - 1)

 圖1顯示了Te和噪聲系數(shù)的關(guān)系曲線。雖然大部分LNA的特征是用噪聲系數(shù)來描述的，但是當(dāng)LNA的噪聲系數(shù)小于1 dB時，就會經(jīng)常用Te來描述其噪聲特征。在進行與噪聲功率相關(guān)的計算時，Te也是一個很有用的參數(shù)。

圖1.有效噪聲溫度和噪聲系數(shù)的關(guān)系

噪聲系數(shù)的測量技術(shù)

有兩種測量噪聲系數(shù)的主要方法。常用的是Y因子法或冷熱源法，是德科技的噪聲系數(shù)分析儀和頻譜分析儀都是用這種方法測量噪聲系數(shù)。

Y因子法使用經(jīng)過校準(zhǔn)的噪聲源－包括專門設(shè)計的通/斷噪聲二極管，在噪聲源的后面還有一個可提供較好的輸出匹配的衰減器(圖2)。當(dāng)二極管關(guān)閉，即沒有偏置電流存在時，噪聲源會對被測器件呈現(xiàn)出室溫端接負(fù)載。當(dāng)二極管被反向偏置時，它所產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)會產(chǎn)生一個超過室溫端接負(fù)載的電噪聲，這個額外產(chǎn)生的噪聲量被表征為"超噪比" (即ENR)。對于一個給定的噪聲源，ENR的值會隨著頻率而變化。根據(jù)內(nèi)部衰減器的情況的不同，典型噪聲源的ENR標(biāo)稱值的范圍在5 dB到15 dB之間。使用噪聲源可以在被測器件的輸出端口得到兩個噪聲功率的測量結(jié)果，這兩個測量結(jié)果的比值(稱為Y因子)可用來計算噪聲系數(shù)。使用Y因子法進行測量還能生成被測器件的標(biāo)量增益。

圖2.超噪源的原理圖

第二種測量噪聲系數(shù)的方法是冷源法，有時也把這種方法叫做直接噪聲測量法。在被測器件的輸入端口連接一個冷(通常是室溫的)端接負(fù)載，另外再單獨測量被測器件的增益。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)測量噪聲系數(shù)就經(jīng)常采用冷源法，因為這可以使我們在測量放大器或變頻器時，只需通過單次連接，就可以完成諸如S參數(shù)、壓縮、噪聲系數(shù)等多項指標(biāo)的測試。

Y因子法

我們在這里要詳細介紹Y因子法。使用噪聲源我們可以進行兩個噪聲功率測量。一個是在噪聲源處在冷狀態(tài)(噪聲二極管關(guān)閉)下進行，另一個是在噪聲源處在熱狀態(tài)(噪聲二極管打開)下進行。從這兩個測量和噪聲源已知的ENR，我們就可以計算出兩個變量:被測放大器的標(biāo)量增益和噪聲系數(shù)。

在對被測器件進行測量的同時，測試儀器中的噪聲接收機的噪聲也會被測量到。為了去除附加噪聲對測量結(jié)果的影響，在測量開始之前需要進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的過程就是把噪聲源與測試儀器相連，然后測量內(nèi)部噪聲接收機的噪聲系數(shù)。使用一個簡單的數(shù)學(xué)表達式就可以把被測器件的噪聲系數(shù)從整個系統(tǒng)的噪聲測量結(jié)果中提取出來。這一步驟被叫做第二級噪聲校正，這是因為被測器件的噪聲系數(shù)是基于測試儀器中的噪聲接收機在第二級的增益和噪聲系數(shù)進行校正的。

如果我們把放大器的輸出噪聲功率與其輸入噪聲功率的關(guān)系畫成圖的話，只要這個放大器是線性的，那么關(guān)系圖曲線就會是一條直線，如圖3所示。對于LNA來說，這是一個很好的假設(shè)，因為它們的目的就是放大那些遠離放大器壓縮區(qū)域的低電平信號。即便是輸入噪聲為零，由于放大器內(nèi)部有源電路自身會產(chǎn)生噪聲的機理，在放大器的輸出端口上還是會有一定的噪聲。這個由放大器自身所產(chǎn)生的噪聲就是噪聲系數(shù)測量中所要標(biāo)定的量。從圖中我們就可以輕松地看出，為什么在求解放大器的增益(直線的斜率)和噪聲系數(shù)(從Y軸截獲點導(dǎo)出)時需要進行上述兩個噪聲功率測量。

圖3. Y因子法的圖解

冷源法

我們在這里要詳細介紹冷源法。冷源法的技術(shù)在概念上是很簡單的，被測器件的輸入端始終在室溫(所謂的"冷"端接)條件下，只進行噪聲功率測量，測得的噪聲是經(jīng)放大的輸入噪聲再加上放大器或變頻器所產(chǎn)生的噪聲。如果可以準(zhǔn)確地知道放大器的增益(或變頻器的變頻增益)，那么就可以從測量結(jié)果中把經(jīng)放大的輸入噪聲去掉，只留下由被測器件產(chǎn)生的噪聲，由此就可以計算出噪聲系數(shù)。為了能夠在冷源法測量中得到準(zhǔn)確的結(jié)果，我們必須要對被測器件的增益了如指掌。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀使用2端口矢量誤差校正技術(shù)和其他*的校準(zhǔn)方法可以達到冷源法所需的精度，因此，冷源法是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行噪聲系數(shù)測量的理想選擇。

同Y因子法一樣，冷源法也需要一個校準(zhǔn)步驟來表征儀器內(nèi)部噪聲接收機的噪聲系數(shù)和增益。另外，這一步驟也需要一個噪聲源來完成；或者也可以使用功率計做掃頻測量來確定接收機的有效噪聲帶寬。注意，冷源法所使用的噪聲源或功率計只是在校準(zhǔn)時才用到，被測器件進行測量時就不需要。

圖4是輸出噪聲功率與輸入噪聲功率的關(guān)系圖，在這里，我們可以單獨測量被測器件的增益而得到這條直線的斜率。接下來只需進行一次功率測量就能確定這條直線和Y軸的交點，從而確定該直線在圖中的位置，這樣就可以推導(dǎo)出被測器件的噪聲系數(shù)。

圖4.冷源法的圖解

注意，當(dāng)使用VNA測量被測器件的增益時可以采用矢量誤差校正技術(shù)，由此得到的增益測量結(jié)果要比用Y因子法測得的更加準(zhǔn)確。矢量誤差校正要求對被測器件的四個S參數(shù)都進行測量，這需要分析儀做正向和反向兩次掃描。在后面我們將會討論如何利用被測器件經(jīng)過校正的S11和S22參數(shù)來校正測量結(jié)果中的其他誤差。冷源法已經(jīng)被進一步開發(fā)和應(yīng)用到變頻器的測量，其中輸入頻率和輸出頻率并不相同。以上有關(guān)網(wǎng)絡(luò)分析儀準(zhǔn)確測量噪聲系數(shù)相關(guān)知識由安泰網(wǎng)絡(luò)分析儀維修中心網(wǎng)整理發(fā)布，更多有關(guān)知識訪問安泰維修網(wǎng)。