噪聲系數(shù)測(cè)量方法原理

2017-04-03 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

噪聲系數(shù)是表征接收機(jī)及其組成部件在有熱噪聲存在的情況下處理微弱信號(hào)的能力的關(guān)鍵參數(shù)之一。例如,在測(cè)量低噪聲放大器(LNA) 時(shí),噪聲系數(shù)描述的是由于LNA的有源器件在內(nèi)部產(chǎn)生噪聲而導(dǎo)致信號(hào)的信噪比下降。安捷倫提供噪聲系數(shù)測(cè)試解決方案已有50年的歷史— 從噪聲計(jì)到現(xiàn)代基于頻譜、網(wǎng)絡(luò)和噪聲系數(shù)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(jìn)行噪聲系數(shù)的測(cè)試,而且還可以得到很高的測(cè)量精度。噪聲系數(shù)的精確測(cè)量對(duì)于產(chǎn)品的研發(fā)和制造都非常關(guān)鍵。在研發(fā)領(lǐng)域,高測(cè)試精度可以保證設(shè)計(jì)仿真和真實(shí)測(cè)量之間的可復(fù)驗(yàn)性很高,并有助于發(fā)現(xiàn)在仿真過(guò)程中未予以考慮的噪聲來(lái)源。在生產(chǎn)和制造領(lǐng)域,更高的測(cè)試精度意味著在設(shè)定和驗(yàn)證器件的技術(shù)指標(biāo)時(shí)可以把指標(biāo)的余量設(shè)定得更小。不言而喻,最終產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)越高,就越有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,要么可以以更高的價(jià)格在市場(chǎng)上銷售或者在同樣的價(jià)格水平上贏取更大的市場(chǎng)份額。

1.噪聲系數(shù)測(cè)量技術(shù)

為了選擇適當(dāng)?shù)膬x表滿足測(cè)量噪聲系數(shù)的要求,有必要首先了解一些測(cè)試噪聲系數(shù)的基本原理以及與之相關(guān)的測(cè)量結(jié)果的不確定性。噪聲系數(shù)測(cè)量的不確定性不僅取決于測(cè)試設(shè)備,同時(shí)也是被測(cè)器件(DUT)的某些特征,例如S參數(shù)是噪聲參數(shù)的函數(shù)。

目前,用于測(cè)量噪聲系數(shù)的方法主要有兩種。最流行的方法稱為Y因子技術(shù)或者冷/ 熱噪聲源技術(shù)。Y 因子方法使用一個(gè)與DUT 的輸入端直接相連的噪聲源,提供兩個(gè)輸入噪聲電平。這種方法測(cè)試DUT的噪聲系數(shù)和標(biāo)量增益。用頻譜分析儀和噪聲系數(shù)分析儀測(cè)試噪聲系數(shù)用的就是這種方法。Y因子技術(shù)易于使用,特別是當(dāng)噪聲源具有良好的源匹配并且可以與DUT直接連接時(shí),測(cè)試結(jié)果的精度是很好的。

測(cè)試噪聲系數(shù)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(gè)噪聲源,而是只需要一個(gè)已知的負(fù)載(通常為50歐姆)。但是,冷源方法需要單獨(dú)測(cè)量DUT 的增益。這種方法特別適用于用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試噪聲系數(shù),因?yàn)榭梢杂檬噶空`差校準(zhǔn)的方法來(lái)得到非常精確的增益(S21) 測(cè)量結(jié)果。使用安捷倫科技最新一代微波網(wǎng)絡(luò)分析儀PNA-X測(cè)試噪聲系數(shù)時(shí),矢量誤差校準(zhǔn)技術(shù)和PNA-X 獨(dú)特的源校準(zhǔn)方法相結(jié)合,可以得到業(yè)界最高的噪聲系數(shù)測(cè)量精度。

冷噪聲源方法還具有只需與DUT進(jìn)行一次連接便可同時(shí)測(cè)量S 參數(shù)和噪聲系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。冷噪聲源方法雖然在測(cè)試的時(shí)候不需要噪聲源,但是在系統(tǒng)的校準(zhǔn)過(guò)程中,需要使用噪聲源。

2.噪聲系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的組成

一個(gè)系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)是三個(gè)獨(dú)立部分的各自貢獻(xiàn)的綜合結(jié)果— 用于測(cè)量噪聲系數(shù)的儀表、測(cè)量或者校準(zhǔn)時(shí)所用的噪聲源,以及DUT。Y因子方法是大多數(shù)噪聲系數(shù)測(cè)量的基本方法,它用一個(gè)噪聲源來(lái)確定DUT內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲,無(wú)論是進(jìn)行校準(zhǔn)還是進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候,都需要用到這個(gè)噪聲源。與之相比,冷噪聲源方法只是在校準(zhǔn)的時(shí)才使用噪聲源,如下圖所示。

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圖1 測(cè)量噪聲系數(shù)所需要的基本組成部分

在這份資料后面的內(nèi)容中將對(duì)上圖中的各個(gè)部分做詳細(xì)的描述?？梢允褂肶因子方法進(jìn)行測(cè)試的儀表有噪聲系數(shù)分析儀(NFA) 和配置有噪聲系數(shù)測(cè)試功能選件的信號(hào)/ 頻譜分析儀。而使用冷噪聲源技術(shù)的儀表目前只是配置了噪聲系數(shù)測(cè)試功能選件的PNA-X 微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

3.測(cè)量噪聲系統(tǒng)的三種儀器

1)噪聲系數(shù)分析儀(NFA):

作為噪聲系數(shù)測(cè)量解決方案的領(lǐng)先者,安捷倫提供當(dāng)今市場(chǎng)上用于測(cè)量噪聲系數(shù)的唯一的單臺(tái)儀表解決方案。NFA系列是專為精確地進(jìn)行噪聲系數(shù)測(cè)量而設(shè)計(jì)的,配有標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部前置放大器,有三個(gè)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(cè)試頻率可以達(dá)到110GHz。NFA 系列采用Y 因子方法測(cè)量噪聲系數(shù),儀表本身的噪聲系數(shù)很低。在基于信號(hào)/頻譜分析儀的噪聲系數(shù)測(cè)試儀的應(yīng)用靈活性和基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的噪聲系數(shù)測(cè)試儀的最高的測(cè)試精度之間,NFA 不乏是一種非常好的取中的方案。

2)信號(hào)/頻譜分析儀:

在應(yīng)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(shù)測(cè)試的功能是一種比較經(jīng)濟(jì)的噪聲系數(shù)測(cè)試方法。這種方法也使用Y因子法,它的測(cè)試精度和測(cè)試的頻率范圍取決于采用的是哪一種信號(hào)/頻譜分析儀; 通過(guò)在儀表內(nèi)部或外部增加信號(hào)前置放大器可以提高測(cè)試的精度。

3)網(wǎng)絡(luò)分析儀:

如果需要最高精度的噪聲系數(shù)測(cè)量結(jié)果,請(qǐng)選擇使用安捷倫PNA-X 微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和專為測(cè)試噪聲系數(shù)而配的選件和附件(噪聲系數(shù)測(cè)試選件029和兩個(gè)電子校準(zhǔn)件)。使用PNA-X測(cè)量噪聲系數(shù)使用冷噪聲源技術(shù); 它的另一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是只要一次把被測(cè)器件與測(cè)試儀表連接好,就可以同時(shí)完成S 參數(shù)和噪聲系數(shù)的測(cè)量,極大地提高了測(cè)試效率。

4.選擇噪聲源

測(cè)量噪聲系數(shù)時(shí),噪聲源的質(zhì)量對(duì)于獲得精確和可復(fù)驗(yàn)性很好的測(cè)量結(jié)果非常關(guān)鍵,安捷倫噪聲源的ENR都通過(guò)了非常仔細(xì)的校準(zhǔn),其精度可以溯源到美國(guó)和英國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究所。噪聲源的輸出是以頻率范圍和ENR定義的。標(biāo)稱值為6dB和15dB的ENR是最常用的。ENR值比較底時(shí)可以把由于噪聲檢測(cè)儀的非線性導(dǎo)致的誤差降到最低。如果在儀表檢測(cè)儀的更小范圍(從而也是線性更好的范圍) 內(nèi)進(jìn)行測(cè)量,則此誤差還會(huì)更小。6dB 的ENR 噪聲源所用的檢測(cè)儀范圍比15dB 的ENR 噪聲源更小。

6dB ENR 噪聲源用于:
● 測(cè)量其增益對(duì)源阻抗變化特別敏感的器件
● 噪聲系數(shù)非常低的DUT
● 器件的噪聲系數(shù)不超過(guò)15dB

15dB ENR 噪聲源用于:
● 用于測(cè)量高達(dá)30dB 的噪聲系數(shù)
● 測(cè)量高增益設(shè)器件,用戶校準(zhǔn)儀表的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍

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