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【实践分享】| 不懂就问,噪声系数如何测


  来源: 罗德与施瓦茨中国 时间:2024-04-01 编辑:清风
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作者:应用工程师陈金明


1、噪声系数测试的意义


噪声系数(Noise Figure)指标可用于衡量信号经过待测件后有多少噪声被叠加在输入信号之上,可量化有用信号输入待测件后信噪比(SNR)恶化的程度。它是射频微波有源器件的关键指标,尤其对于射频前端的低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA),决定了整个接收链路的噪声系数,将直接影响系统的接收灵敏度。


如何描述噪声系数的大小呢?噪声系数的一般定义为:待测件输入信噪比与输出信噪比的比值,F=(Sin/Nin)/(Sout/Nout)。假定输入信号由两部分组成,输入有用信号Sin和输入噪声Nin,因此待测件输入端的信噪比为Sin/Nin。如果待测件的增益为G,Sout=SinG,输出信噪比Sout/Nout=SinG/Nout,因此有F=Nout/NinG,所以噪声系数也可以定义为待测件输出噪声功率与输入噪声功率和待测件增益乘积的比值。


图一 待测件输入与输出信噪比


噪声系数的线性表征为F=Nout/NinG,称之为噪声因子;噪声系数的对数表征为FdB=10logF=10log(Nout/NinG),称之为噪声系数,噪声系数的对数表征FdB使用更为广泛。


2、噪声系数测试方法


噪声系数指标是有源器件的关键指标,噪声系数的测试变得越来越广泛和重要。噪声系数测试主要有三种测试方法,第一种方法是只使用频谱仪的增益法,这是一种简化的方法,不需要噪声源,被测件的增益已知并且非常高时才可使用,精度有限(不如后面两种方法);第二种方法是使用噪声源和频谱仪测试的Y因子法,该测试方法相对简单,经过校准可以达到相当高的测量精度;第三种方法是使用矢量网络分析仪的冷源法,该方法对测试条件要求较高,满足条件时测试精度非常高,并且可以一次连接完成几乎所有指标的测试,测试效率非常高。


增益法测试噪声系数只需要使用频谱仪,没有从测试结果中消除频谱仪自身噪声带来的影响,精度有限。分为两步:第一步被测件输入端端接50欧负载,在频谱仪上测得的功率被认为被测件自身输出的噪声功率;第二步,根据被测件的增益计算噪声系数结果。


Y因子法测试噪声系数需要使用频谱仪和噪声源,能够从测试结果中去除频谱仪自身噪声系数对测试引入的影响。分为两步:第一步频谱仪噪声系数的校准;第二步测试待测件的噪声系数。噪声源用于为待测件提供噪声功率,具有On和Off两个状态,分别对应不同的等效噪声温度。频谱仪通过Noise Source Control(+28V) 接口控制噪声源的开、关状态。下图为信号与频谱分析仪FSW的噪声系数测试结果。


图二 基于FSW信号与频谱分析仪的噪声系数测试结果显示


冷源法测试噪声系数需要使用矢量网络分析仪,通过校准来表征矢网的测量接收机的噪声系数,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。使用等于系统阻抗的电阻负载连接被测件的输入,测量被测件的输出噪声功率,再使用两端口S参数测量被测件的增益,并利用这两个结果计算得到噪声系数。由于矢量网络分析仪单独就能完成增益的测量,冷源法通常与矢量网络分析仪一起使用。矢量网络分析仪可同时实现噪声系数测量、S 参数测量、压缩测量、交调测量与变频测量,提高了测量效率,同时也减小了反复连接带来的不确定性。下图为矢量网络分析仪ZNA的噪声系数测试结果。


图三 基于矢量网络分析仪ZNA的噪声系数测试结果显示


3、总  结


使用频谱仪的增益法、Y因子法和矢量网络分析仪的冷源法都可以进行噪声系数的测试。但是增益法进行噪声系数测试时无法测试DUT的增益和频谱仪的噪声系数,因此测量精度非常有限。频谱仪的Y因子法和矢量网络分析仪的冷源法都有校准的过程,噪声系数的测量精度很高,使用更为广泛和普遍。


关键词:噪声系数    浏览量:14301

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