精確測量噪聲係數的重要性

 

zaichanpinyanfaguochengzhong，genggaodezaoshengxishuceliangjingdubujinyiweizhezaichanpindefangzhenheceliangjieguozhijiankeyiyougenghaodexiangguanxing，youzhuyushejirenyuangengkuaidibadianlumoxingjingxihua，tahaiyiweizhexitongshejirenyuankeyiduizhuruleidazhileidefashe/接jie收shou係xi統tong的de性xing能neng進jin行xing更geng好hao的de優you化hua。當dang把ba係xi統tong的de性xing能neng指zhi標biao分fen解jie成cheng係xi統tong所suo有you各ge個ge部bu件jian的de性xing能neng指zhi標biao時shi，係xi統tong設she計ji人ren員yuan必bi須xu要yao根gen據ju測ce量liang精jing度du給gei每mei個ge器qi件jian的de指zhi標biao增zeng加jia防fang護hu頻pin帶dai，器qi件jian的de設she計ji人ren員yuan也ye會hui據ju此ci對dui其qi器qi件jian進jin行xing性xing能neng驗yan證zheng。具ju體ti說shuo到dao噪zao聲sheng係xi數shu，改gai善shan的de測ce量liang精jing度du和he更geng小xiao的de防fang護hu頻pin帶dai意yi味wei著zhe LNA 可以有更好的技術指標，進而達到使用較小功率的發射放大器就能夠獲得同樣的係統總體 SNR 的目的。由此可以使用更小、更輕
、更便宜的發射機
，這對於機載和星載應用是極為重要的。

 

zaichanpindeshengchanceshizhong
，gaishandeceliangjingduhaikeyiyunxushiyongjiaoxiaodefanghupindai，zheyangkeyizaiduogeceshizhandeceliangjieguozhongqudegenghaodexiangguanxing，zheyiweizhexuyaofangongdechanpinyuelaiyueshao，lianglvhetuntuliangdoudayoutigao，ceshichengbenyejinyibuxiajiang。gengxiaodefanghupindaihaikeyirangchanpindejishuzhibiaogengchuse、更具競爭性
，從而可以以更高的價格銷售或是占據更多的市場份額。

 

噪聲係數概述

 

什麼是噪聲係數 ?

 

噪zao聲sheng係xi數shu是shi用yong來lai描miao述shu一yi個ge係xi統tong中zhong出chu現xian的de過guo多duo的de噪zao聲sheng量liang的de品pin質zhi因yin數shu。把ba噪zao聲sheng係xi數shu降jiang低di到dao最zui小xiao的de程cheng度du可ke以yi減jian小xiao噪zao聲sheng對dui係xi統tong造zao成cheng的de影ying響xiang。在zai日ri常chang生sheng活huo中zhong
，我wo們men可ke以yi看kan到dao噪zao聲sheng會hui降jiang低di電dian視shi畫hua麵mian的de質zhi量liang，也ye會hui使shi無wu線xian通tong信xin的de話hua音yin質zhi量liang變bian差cha；在諸如雷達等的軍用設備中
，噪聲會限製係統的有效作用範圍；在數字通信係統中
，噪聲則會增加係統的比特誤碼率。係統設計人員總是在盡最大努力使整個係統的信噪比 (SNR) 達到最優，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。在像雷達這樣的發射/jieshouxitongzhong
，tigaoxinzaobideyizhongfangfashiyonggengdadedagonglvfangdaqilaitigaofashexinhaodegonglv
，huoshiyongdakoujingtianxian。jiangdizaifashejihejieshoujizhijianxinhaochuanshulujingshangdesunhaoyekeyitigao SNR，但(dan)是(shi)信(xin)號(hao)在(zai)傳(chuan)輸(shu)路(lu)徑(jing)上(shang)的(de)損(sun)耗(hao)大(da)都(dou)是(shi)由(you)工(gong)作(zuo)環(huan)境(jing)所(suo)決(jue)定(ding)的(de)
，係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)控(kong)製(zhi)不(bu)了(le)這(zhe)方(fang)麵(mian)的(de)因(yin)素(su)。還(hai)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)降(jiang)低(di)由(you)接(jie)收(shou)機(ji)產(chan)生(sheng)的(de)噪(zao)聲(sheng)來(lai)提(ti)高(gao) SNR－通常這都是由接收機前端的低噪聲放大器 (LNA) 的質量決定的。與使用提高發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係數的指標更好) 的方法會更容易和經濟一些。

 

噪聲係數的定義是很簡單和直觀的。網絡的噪聲因子 (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) 來表示就是噪聲係數 (NF): NF = 10*log (F)

 

zhegeduizaoshengxishudedingyiduirenhedianziwangluodoushizhengquede，baokuonaxiekeyibashuruxinhaodepinlvbianhuanweilingwaiyigeshuchupinlvdedianziwangluo

，lirushangbianpinqihuoxiabianpinqi。

 

為(wei)了(le)更(geng)好(hao)地(di)理(li)解(jie)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)的(de)定(ding)義(yi)
，我(wo)們(men)以(yi)放(fang)大(da)器(qi)為(wei)例(li)。放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)的(de)功(gong)率(lv)等(deng)於(yu)放(fang)大(da)器(qi)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)的(de)功(gong)率(lv)乘(cheng)以(yi)放(fang)大(da)器(qi)的(de)增(zeng)益(yi)，如(ru)果(guo)這(zhe)個(ge)放(fang)大(da)器(qi)是(shi)一(yi)個(ge)很(hen)理(li)想(xiang)的(de)器(qi)件(jian)的(de)話(hua)，其(qi)輸(shu)出(chu)端(duan)口(kou)上(shang)噪(zao)聲(sheng)信(xin)號(hao)的(de)功(gong)率(lv)也(ye)應(ying)該(gai)等(deng)於(yu)輸(shu)入(ru)端(duan)口(kou)上(shang)噪(zao)聲(sheng)信(xin)號(hao)的(de)功(gong)率(lv)乘(cheng)以(yi)放(fang)大(da)器(qi)的(de)增(zeng)益(yi)
，結(jie)果(guo)是(shi)在(zai)放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)端(duan)口(kou)和(he)輸(shu)出(chu)端(duan)口(kou)上(shang)信(xin)號(hao)的(de) SNR 是(shi)相(xiang)同(tong)的(de)。然(ran)而(er)，實(shi)際(ji)情(qing)況(kuang)是(shi)任(ren)何(he)放(fang)大(da)器(qi)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)的(de)噪(zao)聲(sheng)功(gong)率(lv)都(dou)比(bi)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)的(de)噪(zao)聲(sheng)功(gong)率(lv)乘(cheng)以(yi)放(fang)大(da)器(qi)的(de)增(zeng)益(yi)所(suo)得(de)到(dao)的(de)結(jie)果(guo)大(da)
，也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)輸(shu)出(chu)端(duan)口(kou)上(shang)的(de) SNR 要比輸入端口上的 SNR 小，即噪聲因子 F 要大於 1
，或者說噪聲係數 NF 要大於 0 dB。

 

在測量並比較噪聲係數時，必須要注意的是我們在測量過程中是假定測試係統能夠在被測器件 (DUT) 的輸入端口和輸出端口上提供非常完美的 50 Ω 端接負載。但在實際測量中，這樣完美的條件永遠不會存在。稍後我們會討論如果測試係統沒有完美的 50 Ω，係統會對噪聲係數的測量精度造成怎樣的影響。同時，我們也會講解各種校準和測量方法如何校正由於不理想的 50 Ω 源匹配引起的誤差。

 

另一種用來表達由放大器或係統引入的附加噪聲的術語是有效輸入溫度 (Te)。為了理解這個參數，我們需要先看一下無源端接所產生的噪聲量的表達方式－kTB，其中 k 是玻爾茲曼常數，T 是以開爾文為單位的端接溫度，B 是係統帶寬。因為在某個給定的帶寬內，器件產生的噪聲和溫度是成正比的，所以，器件所產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 的商用噪聲源所產生的電噪聲等效於溫度為 8880 K 的負載端接。任何一個實際器件的噪聲係數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生同樣大小的附加噪聲
，Te 與噪聲因子的關係是:

 

Te = 290*(F - 1)

 

圖 1 顯示了 Te 和噪聲係數的關係曲線。雖然大部分 LNA 的特征是用噪聲係數來描述的，但是當 LNA 的噪聲係數小於 1 dB 時，就會經常用 Te 來描述其噪聲特征。在進行與噪聲功率相關的計算時，Te 也是一個很有用的參數。

 

圖 1. 有效噪聲溫度和噪聲係數的關係

 

噪聲係數的測量技術

 

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

 

Y 因子法使用經過校準的噪聲源－包括專門設計的通/斷噪聲二極管，在噪聲源的後麵還有一個可提供較好的輸出匹配的衰減器 (圖 2)。dangerjiguanguanbi
，jimeiyoupianzhidianliucunzaishi，zaoshengyuanhuiduibeiceqijianchengxianchushiwenduanjiefuzai。dangerjiguanbeifanxiangpianzhishi，tasuochanshengdexuebengxiaoyinghuichanshengyigechaoguoshiwenduanjiefuzaidedianzaosheng，zhegeewaichanshengdezaoshengliangbeibiaozhengwei "超噪比" (即 ENR)。對於一個給定的噪聲源，ENR 的值會隨著頻率而變化。根據內部衰減器的情況的不同，典型噪聲源的 ENR 標稱值的範圍在 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果，這兩個測量結果的比值 (稱為 Y 因子) 可用來計算噪聲係數。使用 Y 因子法進行測量還能生成被測器件的標量增益。

 

圖 2. 超噪源的原理圖

 

第二種測量噪聲係數的方法是冷源法，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) 端接負載，另外再單獨測量被測器件的增益。使用矢量網絡分析儀 (VNA) 測量噪聲係數就經常采用冷源法，因為這可以使我們在測量放大器或變頻器時，隻需通過單次連接，就可以完成諸如 S 參數、壓縮

、噪聲係數等多項指標的測試。

 

Y 因子法

 

我們在這裏要詳細介紹 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 (噪聲二極管關閉) 下進行，另一個是在噪聲源處在熱狀態 (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: 被測放大器的標量增益和噪聲係數。

 

在zai對dui被bei測ce器qi件jian進jin行xing測ce量liang的de同tong時shi
，測ce試shi儀yi器qi中zhong的de噪zao聲sheng接jie收shou機ji的de噪zao聲sheng也ye會hui被bei測ce量liang到dao。為wei了le去qu除chu附fu加jia噪zao聲sheng對dui測ce量liang結jie果guo的de影ying響xiang，在zai測ce量liang開kai始shi之zhi前qian需xu要yao進jin行xing校xiao準zhun，校xiao準zhun的de過guo程cheng就jiu是shi把ba噪zao聲sheng源yuan與yu測ce試shi儀yi器qi相xiang連lian，然ran後hou測ce量liang內nei部bu噪zao聲sheng接jie收shou機ji的de噪zao聲sheng係xi數shu。使shi用yong一yi個ge簡jian單dan的de數shu學xue表biao達da式shi就jiu可ke以yi把ba被bei測ce器qi件jian的de噪zao聲sheng係xi數shu從cong整zheng個ge係xi統tong的de噪zao聲sheng測ce量liang結jie果guo中zhong提ti取qu出chu來lai。這zhe一yi步bu驟zhou被bei叫jiao做zuo第di二er級ji噪zao聲sheng校xiao正zheng
，這zhe是shi因yin為wei被bei測ce器qi件jian的de噪zao聲sheng係xi數shu是shi基ji於yu測ce試shi儀yi器qi中zhong的de噪zao聲sheng接jie收shou機ji在zai第di二er級ji的de增zeng益yi和he噪zao聲sheng係xi數shu進jin行xing校xiao正zheng的de。

 

如(ru)果(guo)我(wo)們(men)把(ba)放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)噪(zao)聲(sheng)功(gong)率(lv)與(yu)其(qi)輸(shu)入(ru)噪(zao)聲(sheng)功(gong)率(lv)的(de)關(guan)係(xi)畫(hua)成(cheng)圖(tu)的(de)話(hua)，隻(zhi)要(yao)這(zhe)個(ge)放(fang)大(da)器(qi)是(shi)線(xian)性(xing)的(de)，那(na)麼(me)關(guan)係(xi)圖(tu)曲(qu)線(xian)就(jiu)會(hui)是(shi)一(yi)條(tiao)直(zhi)線(xian)，如(ru)圖(tu) 3 所示。對於 LNA 來(lai)說(shuo)，這(zhe)是(shi)一(yi)個(ge)很(hen)好(hao)的(de)假(jia)設(she)，因(yin)為(wei)它(ta)們(men)的(de)目(mu)的(de)就(jiu)是(shi)放(fang)大(da)那(na)些(xie)遠(yuan)離(li)放(fang)大(da)器(qi)壓(ya)縮(suo)區(qu)域(yu)的(de)低(di)電(dian)平(ping)信(xin)號(hao)。即(ji)便(bian)是(shi)輸(shu)入(ru)噪(zao)聲(sheng)為(wei)零(ling)
，由(you)於(yu)放(fang)大(da)器(qi)內(nei)部(bu)有(you)源(yuan)電(dian)路(lu)自(zi)身(shen)會(hui)產(chan)生(sheng)噪(zao)聲(sheng)的(de)機(ji)理(li)，在(zai)放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)端(duan)口(kou)上(shang)還(hai)是(shi)會(hui)有(you)一(yi)定(ding)的(de)噪(zao)聲(sheng)。這(zhe)個(ge)由(you)放(fang)大(da)器(qi)自(zi)身(shen)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)噪(zao)聲(sheng)就(jiu)是(shi)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)測(ce)量(liang)中(zhong)所(suo)要(yao)標(biao)定(ding)的(de)量(liang)。從(cong)圖(tu)中(zhong)我(wo)們(men)就(jiu)可(ke)以(yi)輕(qing)鬆(song)地(di)看(kan)出(chu)，為(wei)什(shen)麼(me)在(zai)求(qiu)解(jie)放(fang)大(da)器(qi)的(de)增(zeng)益(yi) (直線的斜率) 和噪聲係數 (從 Y 軸截獲點導出) 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

 

我們在這裏要詳細介紹冷源法。冷源法的技術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tiao件jian下xia，隻zhi進jin行xing噪zao聲sheng功gong率lv測ce量liang
，測ce得de的de噪zao聲sheng是shi經jing放fang大da的de輸shu入ru噪zao聲sheng再zai加jia上shang放fang大da器qi或huo變bian頻pin器qi所suo產chan生sheng的de噪zao聲sheng。如ru果guo可ke以yi精jing確que地di知zhi道dao放fang大da器qi的de增zeng益yi (或變頻器的變頻增益)，那na麼me就jiu可ke以yi從cong測ce量liang結jie果guo中zhong把ba經jing放fang大da的de輸shu入ru噪zao聲sheng去qu掉diao，隻zhi留liu下xia由you被bei測ce器qi件jian產chan生sheng的de噪zao聲sheng，由you此ci就jiu可ke以yi計ji算suan出chu噪zao聲sheng係xi數shu。為wei了le能neng夠gou在zai冷leng源yuan法fa測ce量liang中zhong得de到dao精jing確que的de結jie果guo，我wo們men必bi須xu要yao對dui被bei測ce器qi件jian的de增zeng益yi了le如ru指zhi掌zhang。矢shi量liang網wang絡luo分fen析xi儀yi使shi用yong 2 端duan口kou矢shi量liang誤wu差cha校xiao正zheng技ji術shu和he其qi他ta先xian進jin的de校xiao準zhun方fang法fa可ke以yi達da到dao冷leng源yuan法fa所suo需xu的de精jing度du，因yin此ci，冷leng源yuan法fa是shi矢shi量liang網wang絡luo分fen析xi儀yi進jin行xing噪zao聲sheng係xi數shu測ce量liang的de理li想xiang選xuan擇ze。

 

同 Y 因子法一樣

，冷源法也需要一個校準步驟來表征儀器內部噪聲接收機的噪聲係數和增益。另外，這一步驟也需要一個噪聲源來完成；huozheyekeyishiyonggonglvjizuosaopincelianglaiquedingjieshoujideyouxiaozaoshengdaikuan。zhuyi，lengyuanfasuoshiyongdezaoshengyuanhuogonglvjizhishizaixiaozhunshicaiyongdao，beiceqijianjinxingceliangshijiubuxuyao。

 

圖 4 是shi輸shu出chu噪zao聲sheng功gong率lv與yu輸shu入ru噪zao聲sheng功gong率lv的de關guan係xi圖tu
，在zai這zhe裏li，我wo們men可ke以yi單dan獨du測ce量liang被bei測ce器qi件jian的de增zeng益yi而er得de到dao這zhe條tiao直zhi線xian的de斜xie率lv。接jie下xia來lai隻zhi需xu進jin行xing一yi次ci功gong率lv測ce量liang就jiu能neng確que定ding這zhe條tiao直zhi線xian和he Y 軸的交點，從而確定該直線在圖中的位置，這樣就可以推導出被測器件的噪聲係數。

 

圖 4. 冷源法的圖解

 

注意
，當使用 VNA 測量被測器件的增益時可以采用矢量誤差校正技術，由此得到的增益測量結果要比用 Y 因子法測得的更加精確。矢量誤差校正要求對被測器件的四個 S 參數都進行測量
，這需要分析儀做正向和反向兩次掃描。在後麵我們將會討論如何利用被測器件經過校正的 S11 和 S22 參數來校正測量結果中的其他誤差。冷源法已經被進一步開發和應用到變頻器的測量
，其中輸入頻率和輸出頻率並不相同。

 

限製測量精度的因素

 

使用 Y 因子法測量時的假設條件

 

Y 因子法的測量精度依賴於對放大器和測試係統所做的幾個假設

，這些假設條件的有效性會因測試係統和被測器件的 S 參數和噪聲參數不同而變化。

 

第一個假設條件是噪聲源與被測器件具有良好的 50 Ω 匹配。這種假設雖然不是很完美
，但是當被測器件與噪聲源直接連接時，特別是使用 ENR 較小的噪聲源時 (ENR 較小的噪聲源比 ENR 較大的噪聲源往往有更好的匹配)，zhezhongjiashehaishibijiaohelide。buguo
，dangzaizaoshengyuanhebeiceqijianzhijianjiaruleqitadedianwangluoshi，zhezhongjiashejiubushihenhaole。womenshaohouhuikandao
，yulixiangde 50 Ω 源匹配的偏離會在測量結果中造成相當大的誤差。

 

我們在後麵會舉幾個例子，您可以看到把噪聲源與被測器件直接連接在一起要麼不切實際，要麼就根本不可能。首先，很多航空航天/國防設備和商用微波通信設備本身是沒有同軸連接器的，例如，相控陣雷達係統上的很多發射/接收模塊都有輸入輸出微帶線，要求測試夾具和商用同軸測試設備進行連接。另一個例子是單片微波集成電路 (MMIC)，duitamendeceshiwangwangshizaibatamenjinxingfengzhuangzhiqianzhijiezaibandaotijingyuanshangjinxing，zaizhezhongqingkuangxia
，bixushiyongtongzhougongmianceshitantoubaceshishebeijiedaobeiceqijian。zaishangshushilizhong，womendoumeiyoubanfabazaoshengyuanhebeiceqijianzhijiejinxinglianjie。

 

在很多情況下即便是被測器件有同軸連接器
，但是由於需要用自動測試設備 (ATE) 進行測量，需要同時連接多台儀器來充分表征被測器件的特征，例如
，需要用網絡分析儀測量 S 參數和增益壓縮

，用頻譜分析儀
、xinhaoyuanhezaoshengyuancelianghutiaoshizhenhezaoshengxishudengtezheng，zaizhezhongqingkuangxia，jiubixuzaiceshishebeihebeiceqijianzhijianzengjiayigekaiguanjuzhen，yinci，dangceliangzaoshengxishushi
，yeshiwufabazaoshengyuanzhijiejiedaofangdaqideshuruduankou。

 

在無法把噪聲源和被測器件的輸入端口直接相連的情況下，附加的電纜、適配器
、開關、測試夾具和/或探頭都會引起額外的損耗和反射，這些會使測試係統的有效源匹配性能降低。雖然通過把噪聲源的 ENR 值進行標量校準可以減輕測量附件帶來的損耗影響，但是源匹配的劣化所造成的影響是不容易去除的，這自然會導致測量精度下降。

 

diergejiashetiaojianshizaoshengyuandeshuchupipeizailengreliangzhongzhuangtixiashibubiande。shijiqingkuangzeshiyouyixiebianhuacunzai，yinweizaoshengerjiguandezukangzaiqiyoupianzhidianyahewupianzhidianyadetiaojianxiashibuyiyangde。duiyu ENR 小並且在二極管和輸出連接器之間的衰減比較大的噪聲源，這種冷熱狀態的變化導致的阻抗變化會小一些。

 

第di三san個ge假jia設she條tiao件jian是shi無wu論lun連lian接jie的de是shi噪zao聲sheng源yuan還hai是shi被bei測ce器qi件jian
，測ce試shi儀yi器qi中zhong的de噪zao聲sheng接jie收shou機ji的de噪zao聲sheng係xi數shu都dou是shi一yi樣yang的de，即ji便bian是shi這zhe兩liang種zhong不bu同tong的de器qi件jian與yu噪zao聲sheng接jie收shou機ji相xiang連lian時shi所suo呈cheng現xian的de源yuan阻zu抗kang有you所suo不bu同tong。不bu過guo實shi際ji情qing況kuang是shi噪zao聲sheng接jie收shou機ji的de噪zao聲sheng參can數shu將jiang確que定ding其qi噪zao聲sheng係xi數shu如ru何he隨sui源yuan阻zu抗kang而er變bian化hua，這zhe意yi味wei著zhe第di二er級ji噪zao聲sheng校xiao正zheng應ying根gen據ju被bei測ce器qi件jian的de S22 參數進行調整。

 

最zui後hou一yi個ge假jia設she條tiao件jian是shi與yu放fang大da器qi的de可ke用yong增zeng益yi有you關guan
，在zai計ji算suan放fang大da器qi的de噪zao聲sheng係xi數shu時shi會hui用yong到dao這zhe個ge指zhi標biao，它ta是shi放fang大da器qi的de輸shu入ru和he輸shu出chu端duan口kou都dou是shi共gong軛e匹pi配pei的de情qing況kuang下xia放fang大da器qi的de增zeng益yi。使shi用yong Y 因子法測得的增益實際上是標量功率增益
，隻有當被測器件的輸入和輸出匹配接近 50 Ω shi
，zhegebiaolianggonglvzengyicaijiejinyufangdaqidekeyongzengyi。duiyuyixiepipeihenchadeqijian，lirumeiyoupipeidejingtiguan，yaoxiangdedaozhenzhengdekeyongzengyixuyaoceliangqiquanbu 4 個 S 參數，如果不使用 VNA 是沒有辦法做到的。

 

這些假設條件對 Y 因yin子zi法fa測ce量liang精jing度du的de影ying響xiang可ke通tong過guo噪zao聲sheng係xi數shu不bu確que定ding度du計ji算suan器qi很hen好hao地di進jin行xing分fen析xi，該gai程cheng序xu涵han蓋gai了le所suo有you因yin素su所suo產chan生sheng的de影ying響xiang
，稍shao後hou我wo們men會hui舉ju例li說shuo明ming這zhe個ge計ji算suan器qi程cheng序xu給gei出chu的de分fen析xi結jie果guo。在zai下xia一yi節jie內nei容rong中zhong，我wo們men將jiang對dui Y 因子法和冷源法的測量精度做更為詳細的分析。

 

噪聲係數測量結果中不確定性的來源

 

weilenenggoulijiezaoshengxishuceliangjingduhebutongceshifangfadequbie，womenbixuyaolijieceshixitongzhongwuchadelaiyuanyijitamenshiruheyubeiceqijianhuxiangzuoyongde。yougezhongyinsudouhuizaochengzaoshengxishuceliangjieguozhongdebuquedingxing。shiyongbutongdeceshifangfahebutongjibiedewuchaxiaozhenghuidaozhiceliangjieguozhongwuchadefududaweibutong，youxiewuchadelaiyuanduiyuliangzhongceshifangfalaishuoshigongyoude，eryouxiewuchalaiyuanzeshimeizhongceshifangfasuoteyoude。

 

共有的誤差來源包括儀器的不確定性和 ENR 的不確定性，通常測試儀器中隻有這兩個誤差來源是標有指標的。ENR 的不確定性由噪聲源的製造商給出，其大小取決於表征超噪比所用的測試方法；儀器的誤差通常是最小的誤差源。但是如果認為總體測量精度僅僅取決於上述兩個技術指標那就錯了。

 

抖動是兩種測試方法中另一個共有的測量誤差來源，它來自於對低電平隨機信號 (噪聲) 的測量。抖動是用來對一個噪聲很大的信號的平均噪聲功率測量精度進行定量分析，它可以被看作是噪聲係數測量結果軌跡上的噪聲量 (與 S 參數測量結果中的高電平軌跡噪聲類似，但通常還要大一些)，它與噪聲測量的時長和測試係統的帶寬有關。在 PNA-X 上通過增大噪聲平均值可以擴展測量帶寬或增加積分 (測量) shijian，congerbazhezhongwuchalaiyuandeyingxiangjiangdidaokeyijieshoudechengdu。zaoshengpingjunzhijisuanzhishiceliangzaoshenggonglvshizaizaoshengxishucelianghuanjiezhonghuiyongdao
，tashiduliyuzaizhenggezaoshengxishuceliangguijishangsuoyongdesaomiaopingjunerbeitebiekongzhide。

 

最(zui)後(hou)一(yi)個(ge)共(gong)有(you)的(de)誤(wu)差(cha)來(lai)源(yuan)是(shi)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)的(de)漂(piao)移(yi)，這(zhe)主(zhu)要(yao)是(shi)因(yin)為(wei)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)而(er)引(yin)起(qi)的(de)。測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)始(shi)終(zhong)存(cun)在(zai)著(zhe)漂(piao)移(yi)，但(dan)它(ta)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)對(dui)係(xi)統(tong)的(de)再(zai)次(ci)校(xiao)準(zhun)而(er)解(jie)決(jue)。

 

正如前文所述
，人們希望噪聲係數測量是用理想的 50 Ω 測試係統進行。如果測試係統的源匹配不是理想的 50 Ω 的話，就會產生兩種測量誤差來源。如果這些誤差不被校正的話，那麼它們往往會成為影響噪聲係數測量不確定性的最主要因素。

 

失配誤差

 

diyizhongyinweibulixiangdexitongyuanpipeichanshengdewuchalaiziyuceshixitongyubeiceqijiandeshurupipeidejiaohuzuoyong，yinqiyuzaoshengxinhaopinlvdeshipei。zhezhongshipeixiaoyingyushiyongzhengxianxinhaoceliang S 參數時的失配效應相同，圖 5 顯示了使用 Y 因子法測量時的失配效應。雖然大多數高頻 LNA 的輸入匹配額定值都是 50 Ω
，danshishijishurupipeihuiyinpinlvdebutongerzaizhegezhishangxiafudong。zheduiyuzaoshengyuanyuanpipeiyijiweiyuzaoshengyuanhebeiceqijianzhijianderenhedianwangluodeyuanpipeitongyangshiyong。genjubeiceqijianshurupipeidebutong，congzaoshengyuanchulaideyixiezaoshenggonglvhuibeifangdaqideshuruduankoufanshehuilai，jiaruzaoshengyuannenggoutigonglixiangde 50 Ω 匹配，那麼反射的功率會全部被吸收， LAN 在 50 Ω 匹(pi)配(pei)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)真(zhen)正(zheng)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)也(ye)就(jiu)可(ke)以(yi)測(ce)量(liang)。不(bu)過(guo)

，如(ru)果(guo)噪(zao)聲(sheng)源(yuan)不(bu)能(neng)提(ti)供(gong)理(li)想(xiang)的(de)源(yuan)匹(pi)配(pei)，那(na)麼(me)一(yi)些(xie)噪(zao)聲(sheng)功(gong)率(lv)就(jiu)會(hui)被(bei)再(zai)次(ci)反(fan)射(she)回(hui)被(bei)測(ce)器(qi)件(jian)
，這(zhe)些(xie)被(bei)再(zai)次(ci)反(fan)射(she)回(hui)來(lai)的(de)信(xin)號(hao)會(hui)與(yu)原(yuan)始(shi)信(xin)號(hao)形(xing)成(cheng)相(xiang)消(xiao)或(huo)相(xiang)長(chang)的(de)互(hu)相(xiang)幹(gan)擾(rao)，這(zhe)個(ge)由(you)匹(pi)配(pei)的(de)相(xiang)對(dui)相(xiang)位(wei)而(er)定(ding)。如(ru)果(guo)頻(pin)率(lv)跨(kua)度(du)足(zu)夠(gou)寬(kuan)能(neng)夠(gou)顯(xian)示(shi)一(yi)個(ge)或(huo)更(geng)多(duo)的(de)反(fan)射(she)周(zhou)期(qi)，這(zhe)種(zhong)失(shi)配(pei)的(de)效(xiao)應(ying)就(jiu)可(ke)以(yi)從(cong)測(ce)試(shi)結(jie)果(guo)的(de)典(dian)型(xing)紋(wen)波(bo)圖(tu)案(an)中(zhong)看(kan)出(chu)來(lai)。盡(jin)管(guan)經(jing)常(chang)會(hui)因(yin)為(wei)頻(pin)率(lv)跨(kua)度(du)太(tai)窄(zhai)或(huo)測(ce)試(shi)點(dian)數(shu)太(tai)少(shao)的(de)緣(yuan)故(gu)而(er)看(kan)不(bu)出(chu)紋(wen)波(bo)
，但(dan)是(shi)誤(wu)差(cha)始(shi)終(zhong)存(cun)在(zai)於(yu)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)中(zhong)。

 

圖 5. Y 因子法中的失配誤差

 

對於使用 Y 因子法進行測量，由於噪聲源 (或噪聲源與適配器、電纜
、開關或探頭級聯之後) debulixiangpipei，yijipinpufenxiyihezaoshengxishufenxiyiwufayongshuxuejisuandefangfalaixiaochuwuchadeyingxiang，shipeiwuchakeyifeichangda。duiyushiyonglengyuanfajinxingceliang，shipeiwuchadedaxiaoqujueyubeiceqijianshuruduankoushang 50 Ω 端接的質量；也可能與誤差校正技術的類型有關。用已經過適當誤差校正的 VNA 采用冷源法測量時
，因為 VNA 可以測量測試係統和被測器件的 S 參數，並用數學方法對這種失配效應進行補償，因此測量結果中的失配誤差極小。

 

噪聲參數的影響

 

很hen多duo測ce試shi工gong程cheng師shi都dou不bu了le解jie另ling一yi種zhong同tong樣yang由you不bu理li想xiang的de係xi統tong源yuan匹pi配pei引yin起qi的de誤wu差cha。實shi際ji上shang由you被bei測ce器qi件jian產chan生sheng的de一yi些xie噪zao聲sheng會hui從cong器qi件jian輸shu入ru端duan口kou出chu來lai，經jing過guo係xi統tong源yuan匹pi配pei反fan射she之zhi後hou又you重zhong新xin進jin入ru到dao被bei測ce器qi件jian。這zhe個ge被bei反fan射she回hui來lai的de噪zao聲sheng會hui使shi被bei測ce器qi件jian的de噪zao聲sheng係xi數shu發fa生sheng變bian化hua，這zhe種zhong變bian化hua取qu決jue於yu反fan射she噪zao聲sheng功gong率lv的de相xiang位wei和he放fang大da器qi內nei部bu各ge種zhong噪zao聲sheng源yuan的de相xiang關guan性xing
，因yin此ci，測ce得de的de噪zao聲sheng係xi數shu將jiang隨sui著zhe係xi統tong源yuan阻zu抗kang而er變bian化hua。

 

LNA 設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)非(fei)常(chang)了(le)解(jie)這(zhe)種(zhong)效(xiao)果(guo)，他(ta)們(men)會(hui)測(ce)量(liang)放(fang)大(da)器(qi)的(de)每(mei)個(ge)獨(du)立(li)器(qi)件(jian)的(de)噪(zao)聲(sheng)參(can)數(shu)

，這(zhe)些(xie)噪(zao)聲(sheng)參(can)數(shu)可(ke)以(yi)幫(bang)助(zhu)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)估(gu)算(suan)某(mou)個(ge)器(qi)件(jian)的(de)最(zui)小(xiao)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)，以(yi)及(ji)在(zai)怎(zen)樣(yang)的(de)源(yuan)阻(zu)抗(kang) (最佳反射係數) 條tiao件jian下xia才cai能neng獲huo得de這zhe個ge最zui小xiao的de噪zao聲sheng係xi數shu。噪zao聲sheng參can數shu還hai會hui告gao訴su設she計ji人ren員yuan
，當dang係xi統tong源yuan阻zu抗kang偏pian離li最zui佳jia值zhi時shi
，放fang大da器qi的de噪zao聲sheng係xi數shu會hui發fa生sheng怎zen樣yang的de改gai變bian。對dui於yu給gei定ding阻zu抗kang的de改gai變bian，噪zao聲sheng係xi數shu的de變bian化hua幅fu度du對dui於yu放fang大da器qi和he變bian頻pin器qi來lai說shuo是shi不bu一yi樣yang的de

，有you些xie器qi件jian對dui源yuan阻zu抗kang的de變bian化hua是shi很hen敏min感gan的de
，而er有you些xie器qi件jian則ze不bu是shi。了le解jie了le關guan於yu器qi件jian的de噪zao聲sheng參can數shu和he S 參數的知識，LNA 設計人員就能夠針對具體應用而著手設計匹配的電路
，以便優化放大器的增益和噪聲係數。

 

當測量噪聲係數時，如果不對噪聲參數的影響進行補償，那麼噪聲參數就會產生很大的誤差。在下一節裏會詳細探討這個話題。

 

什麼是噪聲參數

 

噪zao聲sheng參can數shu在zai被bei測ce器qi件jian的de輸shu入ru端duan口kou和he測ce試shi儀yi器qi內nei置zhi噪zao聲sheng接jie收shou機ji的de輸shu入ru端duan口kou上shang都dou會hui產chan生sheng影ying響xiang。要yao想xiang了le解jie為wei什shen麼me噪zao聲sheng參can數shu會hui給gei測ce量liang結jie果guo帶dai來lai誤wu差cha
，我wo們men首shou先xian需xu要yao了le解jie什shen麼me是shi噪zao聲sheng

 

參數。放大器的噪聲參數描述了噪聲係數隨著源阻抗 Γs 而變化的情況。在史密斯圓圖上，噪聲參數通常被繪製為恒定噪聲係數圓 (圖 6)。yizugeidingdezaoshengxishuyuanshizaimouyigepinlvshangyouxiaode。duirenheyizhongfangdaqi，bulunshidulidefangdaqihaishiqianrudaobianpinqiqianduandefangdaqi，zaidadaomougezuiyouzukangshijiuhuichuxianyigezuixiaozaoshengxishu，womenbazhegezuiyouzukangjiao

 

做 gamma-opt (Γopt)。源阻抗偏離最優阻抗越遠，放大器的噪聲係數就會越大。放大器的噪聲參數與晶體管內偏置電流和工作頻率都有關。

 

圖 6. 噪聲參數被繪製為恒定噪聲係數圓

 

噪聲係數效應和源阻抗可以通過噪聲參數的數學公式來表示:

 

 

從這個公式中可以看到噪聲因子 F 是隨著源阻抗 Γs 而變化的。除了 Z0 (50 Ω 係統基準阻抗) 之外
，還有三個被稱作噪聲參數的常數 (兩個標量常數，一個矢量常數)。這四個噪聲參數是: Fmin (最小噪聲因子)、Γopt-magnitude、Γopt-phase (對應於 Fmin 的最優源阻抗) 和 Rn (噪聲電阻，這是一個靈敏度參數
，控製當源阻抗偏離 Γopt 時噪聲係數的降級速度)。恒定噪聲圓是由公式中的那些包含 Γs 在內的絕對值平方項決定的。

 

噪聲的相關性

 

weilejieweishenmeqijiandezaoshengxishuhuisuizheshurupipeierbianhua，womenxuyaozaixikanyixiafangdaqishangyouzaoshengdeshuangduankoumoxing。yigeyouzaoshengdeshuangduankouwangluohuiyoulianggezaoshenglaiyuan: 一yi個ge是shi和he輸shu入ru端duan口kou有you關guan的de，另ling一yi個ge是shi和he輸shu出chu端duan口kou有you關guan的de。從cong數shu學xue的de角jiao度du看kan，噪zao聲sheng發fa生sheng器qi可ke以yi表biao示shi為wei電dian流liu源yuan或huo電dian壓ya源yuan，或huo者zhe是shi兩liang者zhe的de組zu合he。圖tu 7 xiafangxianshilezaoshengfenxizuichangyongdemoxing
，yinweitabazaoshengfashengqiyulixiangdezengyimokuaifengekailai，bingbazaoshengfashengqizhirufangdaqideshuruduankou
，zhehuirangrenmengengrongyidilijieyuanpipeiyulianggezaoshengfashengqidejiaohuzuoyong。tongchangqingkuangxiazhelianggezaoshengyuanshibicidulide
，danshitamenzhijianyehuiyinweifangdaqizaiwulihedianqifangmiandetezhengerbiaoxianchuyidingdexiangguanxing。

 

圖 7. 雙端口噪聲模型

 

理解兩個噪聲源之間的相關性對於很好地理解噪聲參數是至關重要的。在圖 8 中
，如果兩個噪聲源是完全相關的話，那麼它們的瞬時 (電壓或電流) 波形的差值就是比例因數 (增益)
；如(ru)果(guo)它(ta)們(men)是(shi)完(wan)全(quan)不(bu)相(xiang)關(guan)的(de)，那(na)麼(me)每(mei)個(ge)波(bo)形(xing)就(jiu)會(hui)是(shi)真(zhen)正(zheng)的(de)隨(sui)機(ji)波(bo)形(xing)
，而(er)且(qie)彼(bi)此(ci)毫(hao)不(bu)相(xiang)關(guan)。對(dui)於(yu)真(zhen)實(shi)世(shi)界(jie)中(zhong)的(de)放(fang)大(da)器(qi)來(lai)說(shuo)
，兩(liang)個(ge)噪(zao)聲(sheng)源(yuan)之(zhi)間(jian)相(xiang)關(guan)的(de)量(liang)介(jie)於(yu)完(wan)全(quan)相(xiang)關(guan)和(he)完(wan)全(quan)不(bu)相(xiang)關(guan)這(zhe)兩(liang)種(zhong)極(ji)端(duan)情(qing)況(kuang)之(zhi)間(jian)
，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)與(yu)輸(shu)入(ru)端(duan)口(kou)和(he)輸(shu)出(chu)端(duan)口(kou)有(you)關(guan)的(de)噪(zao)聲(sheng)發(fa)生(sheng)器(qi)在(zai)放(fang)大(da)器(qi)中(zhong)共(gong)享(xiang)有(you)源(yuan)電(dian)路(lu)。這(zhe)些(xie)物(wu)理(li)噪(zao)聲(sheng)發(fa)生(sheng)器(qi)會(hui)向(xiang)正(zheng)反(fan)兩(liang)個(ge)方(fang)向(xiang)發(fa)出(chu)噪(zao)聲(sheng) (這有助於產生相關性)，但是在每個方向上的幅度和相位的變化將會是不一樣的 (這有助於產生非相關性)。liru，jingtiguanhuizaiyigefangxiangshangchanshengzengyi，erzailingwaiyigefangxiangshangzehuichanshengsunhao。ruguozaizhelianggezaoshengyuanzhijiancunzaiyidingdexiangguanxingdehua，namejiuhuiyoumougeyuanzukangzhinenggoutigongdaozhizuidazaoshengdixiaoxiaoguosuoxudefuduhexiangweipianyi (Γopt)，這個源阻抗值會產生最小的噪聲係數。

 

圖 8. 噪聲的相關性

 

噪聲參數的概念直接關係到我們精確測量 50 Ω 噪聲係數的能力。當測試係統的源阻抗在 50 Ω 附近變化時


，Γs 就會在靠近史密斯圓圖中心的幾個噪聲圓之間變來變去，所測得的被測器件噪聲係數也會隨之改變。圖 9 顯示了一個 15 dB ENR 噪聲源在不加電狀態下的輸入匹配，雖然它的中心是在 50 Ω 上，但是它的反射係數很明顯是隨著頻率的變化而改變的。如果不對 VNA 的源匹配進行校準
，情況會更糟糕
，考慮到 VNA gengweifuzadezuchengjiegou，zheyidianyejiubuhuilingrenchijingle。yinweifangdaqidezaoshengxishushisuizheyuanzukangerbianhuade，renmenkeyikanchuchuantongdezaoshengxishuceliangxitongweishenmehuiyinweibulixiangdeyuanpipeierchanshengfeichangmingxiandeceliangwucha。zhezhongxiaoguosuochanshengdeyingxiangxianshizaiceliangjieguoshangjiushihuichuxianhenduodewenbo，zhexiewenbohennanyuyinweishipeiwuchasuozaochengdewenbofenbiankailai。yuanpipeidebianhuayueda
，zaizaoshengxishuceliangjieguozhongyinrudewuchayejiuyueda。

 

圖 9. 噪聲源和 VNA 的源匹配

 

噪聲參數的影響對 Y 因子法和冷源法都是存在的。在用 Y 因yin子zi法fa進jin行xing測ce量liang所suo得de到dao的de結jie果guo中zhong

，即ji便bian是shi在zai把ba噪zao聲sheng源yuan直zhi接jie與yu被bei測ce器qi件jian進jin行xing連lian接jie的de情qing況kuang下xia，由you噪zao聲sheng參can數shu所suo引yin起qi的de誤wu差cha照zhao樣yang存cun在zai

，隻zhi不bu過guo是shi如ru果guo噪zao聲sheng源yuan的de匹pi配pei很hen好hao的de話hua

，通tong常chang這zhe種zhong誤wu差cha會hui比bi較jiao小xiao而er已yi。不bu過guo在zai多duo數shu情qing況kuang下xia這zhe種zhong誤wu差cha會hui很hen明ming顯xian


，這zhe要yao取qu決jue於yu在zai測ce量liang中zhong所suo使shi用yong的de是shi哪na一yi種zhong噪zao聲sheng源yuan以yi及ji在zai什shen麼me頻pin率lv上shang進jin行xing測ce量liang。如ru果guo在zai噪zao聲sheng源yuan和he被bei測ce器qi件jian之zhi間jian增zeng添tian其qi他ta的de元yuan器qi件jian，即ji便bian是shi對dui這zhe些xie元yuan器qi件jian引yin起qi的de損sun耗hao進jin行xing了le補bu償chang
，也ye會hui出chu現xian更geng大da的de測ce量liang誤wu差cha。

 

當使用 VNA 用冷源法進行測量時，如果不采用衰減器或源校正技術的話，那麼係統原始的源匹配通常也是比較差的。使用 PNA-X 獨特的矢量源校正方法 (稍後會進行介紹)

，實際得到的源匹配非常理想，這樣被測器件或 PNA-X 內置噪聲接收機的噪聲參數對測量結果造成的不確定性就會很小。

 

噪聲係數誤差模型

 

在zai分fen析xi了le噪zao聲sheng係xi數shu測ce量liang中zhong的de主zhu要yao誤wu差cha來lai源yuan之zhi後hou，現xian在zai我wo們men來lai了le解jie一yi下xia在zai校xiao準zhun和he測ce量liang過guo程cheng中zhong表biao示shi測ce試shi係xi統tong和he被bei測ce器qi件jian交jiao互hu的de直zhi觀guan誤wu差cha模mo型xing。圖tu 10 是一個簡化的 Y 因子法的不確定性模型，ENR 不確定性在校準和測量的過程中都存在

，失配誤差是由噪聲源、噪聲接收機和被測器件的不理想 (不是嚴格的 50 Ω) pipeizaochengde。zaoshengyuandebulixiangpipeihaizaochengzaoshengcanshuwucha，daozhizaoshengjieshoujihebeiceqijiandezaoshengxishuhuisuizhepinlverfashengbianhua
，zhegewuchayuanqujueyuzaoshengjieshoujihebeiceqijiandezaoshengcanshu。xiangbizhixia，doudongheyiqidebuquedingxingshibijiaoxiaodewuchayuan。

 

圖 10. Y 因子法的不確定性模型

 

圖 11 是使用 PNA-X網絡分析儀實施冷源法的簡化的不確定性模型

，其中噪聲源用於校準 PNA-X的低噪聲接收機。在校準過程中要比 Y 因子法的校準多了幾步操作。因為冷源法測量不會用到噪聲源，因此 ENR 不(bu)確(que)定(ding)性(xing)隻(zhi)在(zai)校(xiao)準(zhun)過(guo)程(cheng)中(zhong)存(cun)在(zai)。注(zhu)意(yi)
，盡(jin)管(guan)在(zai)模(mo)型(xing)中(zhong)出(chu)現(xian)了(le)失(shi)配(pei)和(he)噪(zao)聲(sheng)參(can)數(shu)誤(wu)差(cha)項(xiang)
，但(dan)由(you)於(yu)使(shi)用(yong)了(le)是(shi)德(de)科(ke)技(ji)先(xian)進(jin)的(de)誤(wu)差(cha)校(xiao)正(zheng)技(ji)術(shu)，這(zhe)些(xie)誤(wu)差(cha)是(shi)極(ji)小(xiao)的(de)。S 參數的不確定性、jieshoujishurupipeidebuquedingxinghezukangtiaoxieqifanshexishudebuquedingxingdoushiewaidewuchayuan，danshiyinweishiyongleshiliangwuchaxiaozhengjishu，zhexiewuchadoushifeichangxiaode。doudongrengrancunzai，zhehe Y 因子法中的情況是一樣的，儀器的不確定性等效於動態精度
，這兩項誤差來源都很小。

 

圖 11. PNA-X 冷源法的不確定性模型

 

為了對總體測量不確定性有個正確的估計，是德科技開發出了 Monte-Carlo 不確定度計算器，這個程序把每個噪聲係數測量方法中的所有誤差源都包括在內。這樣，用戶可以對某個被測器件用 Y 因子法和用冷源法測得的總體精度進行比較，稍後我們會給出一個實例。PNA-X網絡分析儀 的不確定度計算器 (圖 12) 可以從 www.keysight.com/find/nfu 下載。

 

圖 12. PNA-X 的噪聲係數不確定度計算器使用 Monte-Carlo 法來計算噪聲係數測量不確定性

 

PNA-X 係列網絡分析儀獨特的測量方法

 

本節將詳細介紹冷源法噪聲係數測量在 P N A - X 係列網絡分析儀上獨特的實現方法，並介紹使用 PNA-X 測量放大器

、變頻器、平衡 (差分) 器件的噪聲係數的方法。

 

PNA-X係列網絡分析儀 的噪聲係數選件擴展了儀器與被測器件單次連接就能完成的測量範圍，例如，隻需通過單次連接就能測量 S 參數、噪聲係數、增益和相位壓縮、諧波和互調失真 (IMD)。PNA-X 噪聲係數測量所提供的結果是目前所有噪聲係數測量儀器中精度最高的。

 

選件選擇

 

現在有幾種選件可使 PNA-X係列網絡分析儀 增加噪聲係數測量功能。選件 029 (用於 N5241A 13.5 GHz 和 N5242A 26.5 GHz 型號) 和選件 H29 (用於 N5244A 43.5 GHz 和 N5245A 50 GHz 型號) 為 PNA-X 增添了 13.5 GHz (用於 N5241A) 或 26.5 GHz (用於 N5242/44/45A) 低噪聲接收機，以及專門設計的校準和測量算法。選件 028 把這種校準和測量算法應用到了 PNA-X 的標準接收機上 (通常用來測量 S 參數、變頻增益、壓縮和互調失真)，並把測量噪聲係數的頻率範圍擴展到了 50 GHz。

 

圖 13 是雙端口 PNA-X N5241A (13.5 GHz) 或 N5242A (26.5 GHz) 增添選件 029 噪聲係數硬件之後的結構圖。當使用低噪聲接收機測量噪聲係數時，有 5 個噪聲帶寬可供選擇: 24
、8、4、2 和 0.8 MHz。因為在測試端口 2 上設計了特別的電路，所以在用冷源法進行 S 參數、變頻增益、噪聲功率測量時無需使用機械開關進行切換。當用戶為了得到最佳噪聲係數而通過多種參數測量對器件進行調諧時
，或者當 PNA-X 是高產量生產測試係統的一個組成部分時，PNA-X 的這個特性非常有用。

 

圖 13. 配有噪聲係數硬件選件的雙端口 PNA-X

 

PNA-X噪聲係數解決方案還需要一個噪聲源 (當使用低噪聲接收機時) 和/或一個功率計 (當使用標準接收機或在測量變頻器時)，這兩個器件僅在校準過程中才會用到。要徹底完成經過校正的矢量－源測量

，還需使用一個專門用作阻抗調諧器的電子校準件。此外，還需要另一個電子校準件或機械校準套件完成對 S 參數測量部分的校準。

 

作(zuo)為(wei)阻(zu)抗(kang)調(tiao)諧(xie)器(qi)使(shi)用(yong)的(de)電(dian)子(zi)校(xiao)準(zhun)件(jian)可(ke)以(yi)幫(bang)助(zhu)去(qu)除(chu)不(bu)理(li)想(xiang)係(xi)統(tong)源(yuan)匹(pi)配(pei)所(suo)造(zao)成(cheng)的(de)影(ying)響(xiang)，我(wo)們(men)在(zai)下(xia)麵(mian)將(jiang)就(jiu)此(ci)做(zuo)詳(xiang)細(xi)的(de)解(jie)釋(shi)
，這(zhe)讓(rang)我(wo)們(men)在(zai)進(jin)行(xing)單(dan)次(ci)連(lian)接(jie)測(ce)量(liang)的(de)同(tong)時(shi)還(hai)可(ke)以(yi)得(de)到(dao)很(hen)高(gao)的(de)精(jing)度(du)。選(xuan)件(jian) 029 或 H29 為測試端口 1 上的激勵源環路增加了一個旁路開關，這樣如果需要的話

，在測量壓縮特征或 IMD 特(te)征(zheng)時(shi)就(jiu)可(ke)以(yi)把(ba)作(zuo)為(wei)調(tiao)諧(xie)器(qi)使(shi)用(yong)的(de)電(dian)子(zi)校(xiao)準(zhun)件(jian)避(bi)開(kai)。您(nin)也(ye)可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)標(biao)量(liang)校(xiao)準(zhun)。標(biao)量(liang)校(xiao)準(zhun)的(de)精(jing)度(du)較(jiao)差(cha)但(dan)速(su)度(du)更(geng)快(kuai)，並(bing)且(qie)不(bu)需(xu)要(yao)將(jiang)電(dian)子(zi)校(xiao)準(zhun)件(jian)用(yong)作(zuo)阻(zu)抗(kang)調(tiao)諧(xie)器(qi)。即(ji)便(bian)利(li)用(yong)完(wan)全(quan)的(de)矢(shi)量(liang)－源校正技術，PNA-X 噪聲係數解決方案的速度也要比 NFA 和頻譜分析儀解決方案快很多 (圖 14)。鑒於 PNA-X的測量速度極快，因此可以使用 PNA-X 測量非常多的數據點，以獲得高分辨率。

 

圖 14. 配有噪聲係數硬件選件的雙端口 PNA-X

 

校正噪聲參數造成的影響

 

我們在之前已經提到，VNA tongguochangguideshiliangwuchaxiaozhengjishukeyiduishipeiwuchajinxingxiaozheng。weilexiaozhengzaoshengcanshuwucha，womenbixuyaoduibeiceqijiandezaoshengcanshujinxingceliang，jinerjiuxuyaozaibeiceqijiandeshuruduankoushiyongzukangtiaoxieqi。zaixuanzezukangtiaoxieqishi，keyishiyongzaoshengcanshuceshixitongchangyongdejidianshizukangtiaoxieqi
，takeyigeibeiceqijiantigongfeichangkuandeyuanzukangfanwei；或者，也可以使用前麵提到的電子校準件，它提供在計算 50 Ω 噪聲係數時所需要的有限阻抗範圍。為了更有效地進行第二級噪聲校正
，在校準過程中還要對噪聲接收機的噪聲參數進行測量。

 

圖 15 形象地表達了這個概念。在史密斯圓圖中心位置上的方塊是我們想要對被測器件的噪聲係數進行測量的地方，這裏對應的是理想的 50 Ω 源阻抗。但正如前文所述
，我們知道測試係統不能提供理想的 50 Ω 匹配。因此，與其假設我們測量的是具有理想源匹配的噪聲係數
，倒不如有意使用一組非 50 Ω 阻抗 (我們知道這些阻抗的精確值) 來測量噪聲係數。如圖所示，在每個測量頻點上我們給被測器件最少提供 4 個不同的阻抗值
，在每一個阻抗值上測量從被測器件輸出的噪聲功率。在校準過程中對這 4 個狀態的阻抗值進行測量，並在已連接被測器件的情況下進行噪聲功率測量。然後把成對的阻抗值/噪聲功率值用在噪聲參數的公式中 (使用 4 個等式求解 4 個未知變量)，因此就可以非常精確地算出在 50 Ω 條件下的噪聲係數。所以使用從史密斯圓圖上用小圓圈表示的測量結果，我們就可以精確地計算出與圖中心方塊相對應的噪聲係數。

 

圖 15. PNA-X 獨特的源校正技術的圖示

 

正如矢量誤差校正能夠顯著改善 VNA 在 S 參數測量時的源匹配和負載匹配一樣，源校準方法可以使 PNA-X 的(de)非(fei)理(li)想(xiang)源(yuan)匹(pi)配(pei)在(zai)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)測(ce)量(liang)時(shi)變(bian)得(de)非(fei)常(chang)出(chu)色(se)。在(zai)實(shi)際(ji)測(ce)量(liang)中(zhong)，在(zai)每(mei)一(yi)個(ge)阻(zu)抗(kang)狀(zhuang)態(tai)下(xia)都(dou)會(hui)做(zuo)一(yi)次(ci)頻(pin)率(lv)掃(sao)描(miao)，而(er)不(bu)是(shi)在(zai)每(mei)個(ge)頻(pin)率(lv)點(dian)上(shang)改(gai)變(bian)阻(zu)抗(kang)的(de)狀(zhuang)態(tai)，這(zhe)就(jiu)使(shi)得(de)整(zheng)個(ge)測(ce)量(liang)過(guo)程(cheng)變(bian)得(de)非(fei)常(chang)快(kuai)。當(dang)使(shi)用(yong) N4690 係列電子校準件時，用戶可以最多選擇 7 個阻抗狀態
，通過用更多數據進行超定的方法可以進一步提高測量精度。

 

使用 PNA-X 和 Y 因子法得到的測量結果的比較

 

借助前麵提到的 Monte-Carlo 噪聲係數不確定度計算器，圖 16 是在自動測試環境中分別用 PNA-X 源校正技術和 Y 因子法 (使用超噪比為 14 dB 的噪聲源) 對 LNA 進行測量不確定性計算。在本例中，LNA 的技術指標是: 增益 = 15 dB，輸入/輸出匹配 = 10 dB，噪聲係數 = 3 dB
，Fmin = 2.7 dB，Γopt = 0.27 + j0，Rn = 12 至 33。

 

圖 16. ATE 環境中的噪聲係數不確定性

 

圖 17 是把前一個測量結果不確定性實例的各個因素加以分解。使用 Y yinzifashi，lianggezuidadewuchalaiyuanshiyoubulixiangdexitongyuanpipeizaochengde。diyidawuchayuanshizaoshengyuanfeilixiangpipeihebeiceqijiansuochanshengdezaoshengjiaohuzuoyongsuoyinqidezaoshengcanshuxiaoying，dierdawuchayuanshiyoushipeixiaoyingyinqide。zhuyi，dangwomenzaizaoshengyuanhebeiceqijianzhijiancharuyigefangzhende ATE 網絡時，相比失配誤差的影響，噪聲參數的影響會變得更大。對於使用 PNA-X 的源校正方法，最大的誤差源是在校準過程中噪聲源的 ENR 不確定性，這種不確定性會影響到對 PNA-X 內置噪聲接收機進行測量的精度。

 

圖 17. 在 ATE 環境中得到的噪聲係數測量結果不確定性的分解

 

圖 18 顯示了對未封裝的 LNA 進行晶圓上測量。從圖中可以看到，使用 Y 因子法時不能將噪聲源直接與放大器連接，必須通過電纜和晶圓探頭進行連接。用 PNA-X網絡分析儀 進行測量的結果不確定性會因為晶圓探頭損耗而有所增加，當頻率超過 24 GHz 時，這種增幅最為明顯。然而
，與 Y 因子法相比，PNA-X 測量結果中的不確定性還是很小的。如果在晶圓上裝置中增添一個開關矩陣，那麼 Y 因子法所具有的不確定性會比上麵實例中的不確定性還要差，與 PNA-X 隻有 0.3 dB 的不確定性相比，Y 因子法的不確定性在這裏已經達到了 1.1 dB。

 

圖 18. 對晶圓上裝置的噪聲係數不確定性進行比較

 

圖 19 把這個晶圓上測量實例的不確定性因素加以分解。再次看到，當使用 ATE 環境時
，Y 因子法的主要誤差源是由失配和噪聲參數效應引起的。

 

圖 19. 在晶圓上裝置中得到的噪聲係數測量結果不確定性的分解

 

圖 20 是對一個未經封裝並且是沒有匹配的低噪聲晶體管分別用 PNA-X 的源校正方法和 Y 因子法 (使用 ENR 為 14 dB 的噪聲源) 進行測量，並對測 的源校正方法和 Y 因子法 (使用 ENR 為 14 dB 的噪聲源) 進行測量，並對測量結果進行比較，這是一個真實的 401 點寬帶測量。這個被測器件的輸入匹配很差而很難得到很精確的測量結果。注意
，使用 PNA-X 進行測量所得到的軌跡相對平滑，而且處在 Y 因子法紋波的中心。Y 因(yin)子(zi)法(fa)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)中(zhong)的(de)紋(wen)波(bo)通(tong)常(chang)很(hen)難(nan)看(kan)到(dao)，這(zhe)其(qi)中(zhong)有(you)兩(liang)個(ge)原(yuan)因(yin)。第(di)一(yi)個(ge)原(yuan)因(yin)是(shi)很(hen)多(duo)器(qi)件(jian)都(dou)是(shi)窄(zhai)帶(dai)器(qi)件(jian)，所(suo)以(yi)測(ce)量(liang)帶(dai)寬(kuan)通(tong)常(chang)會(hui)太(tai)窄(zhai)而(er)無(wu)法(fa)顯(xian)示(shi)固(gu)有(you)的(de)紋(wen)波(bo)，在(zai)中(zhong)心(xin)頻(pin)率(lv)低(di)於(yu) 15 GHz 的窄帶測量應用中
，使用 Y 因子法測量得到的結果要麼是比器件的實際性能好很多
，要麼就是比實際差很多。第二個原因是，即便是進行寬帶測量，因為 Y yinzifadeceliangsudujiman，suoyizaiceliangshizhinengxuanzefeichangshaodeceliangdianshu
，suodedaodejieguoziranjiushiqiancaiyangdejieguo
，huoshiwanquanpianlilebeiceqijianzhenshixingnengdejiaxiang，tuzhongxuxiansuoshidejiushiceliangdianshuzhiyou 11 個時的測量結果－這也是 NFA 默認的測量點數。把測量點數增加到 401 個，紋波就會很明顯。PNA-X 提供較低的紋波，具有更高的測量精度，因此也能反映出被測器件的真實性能。

 

圖 20. 用 PNA-X 和 NFA (使用 ENR 值比較大的噪聲源) 測量噪聲係數的結果

 

圖 21 顯示了 ENR 為 6 dB 的噪聲源重複前麵所做的測量。我們可以看到，Y 因子法的測量結果紋波變小了
，但仍然不如 PNA-X的測量結果。

 

圖 21. 用 PNA-X 和 NFA (使用 ENR 值比較小的噪聲源) 測量噪聲係數的結果

 

另一種顯示測試係統中是否存在源匹配引起的測量誤差的方法是用一個空氣線來改變呈現在被測器件端口上的源匹配的相位。圖 22 顯xian示shi了le放fang大da器qi自zi身shen的de噪zao聲sheng係xi數shu以yi及ji放fang大da器qi前qian麵mian有you一yi截jie空kong氣qi線xian時shi的de噪zao聲sheng係xi數shu。如ru果guo測ce試shi係xi統tong能neng夠gou去qu除chu不bu理li想xiang的de源yuan匹pi配pei所suo造zao成cheng的de影ying響xiang，那na麼me增zeng加jia一yi條tiao空kong氣qi線xian應ying當dang隻zhi會hui給gei測ce量liang結jie果guo增zeng加jia了le這zhe條tiao空kong氣qi線xian的de損sun耗hao，空kong氣qi線xian的de損sun耗hao在zai這zhe裏li的de頻pin率lv範fan圍wei內nei是shi遠yuan小xiao於yu 0.1 dB 的，這種效果可以從下半部分的 PNA-X網絡分析儀 測量結果中看出來。然而，圖的上半部顯示的是用 NFA 和 ENR 為 14 dB 的噪聲源進行測量，我們可以看到空氣線的加入使得噪聲係數產生了較大的差異 (取決於頻率)，這些差異的大小甚至超過了理論計算應該得到的值。這種大的變化表明了 Y 因子法的測量結果會受到係統源匹配的不良影響，正如前麵討論的那樣，Y 因子法無法去除不理想的係統源匹配引起的失配和噪聲參數效應。

 

圖 22. 空氣線是顯示是否存在源匹配引起的誤差的一個有效工具

 

圖 23 顯示了另一個實例
，用來說明使用 Y 因子法進行測量時，係統不理想的源匹配會在噪聲係數測量結果中產生紋波。在本例中

，把一條 12 英寸長的柔性電纜接到被測器件的前麵，模擬一個使用 ATE 進行測量的環境。在使用 Y 因子法時
，這條電纜是放在噪聲源 (ENR 為 14 dB) 和被測器件之間的，然後使用 NFA 內置的損耗補償表把電纜的標量損耗去掉。在 ATE 係統中通常都會使用 ENR 值比較大的噪聲源進行測量
，這是因為在噪聲源和被測器件之間的損耗會比較大
，使用 ENR 值比較小的噪聲源進行測量很難得到比較好的測量結果。使用 PNA-X 進行測量時
，電纜就是測試係統的一部分
，校準平麵設置在被測器件的輸入和輸出端口處。Y 因子法測量結果中的紋波還是很大，這表明不理想的源匹配會產生很大的誤差。

 

圖 23. 在一個 偽 ATE 環境中得到的噪聲係數測量結果

 

標量噪聲校準技術

 

到目前為止，本應用指南介紹了 PNA-X wangluofenxiyishiruhezaizaoshengxishuceliangdeguochengzhongtongguogeibeiceqijiantigongsigehuogengduodezukang，xiaozhengyoubulixiangdeyuanpipeiyinqideceliangjieguowucha，zhezhongxiaozhunfangfashitongguozaixiaozhunguochengzhongxuanze "Vector Noise" 一項來激活的。還有另一種被稱為 "Scalar Noise" 的校準選項
，這種方法操作起來比較簡單，測量速度也快，但是不如 "Vector Noise" 的(de)校(xiao)準(zhun)方(fang)法(fa)精(jing)確(que)。這(zhe)種(zhong)標(biao)量(liang)校(xiao)準(zhun)方(fang)法(fa)仍(reng)然(ran)用(yong)冷(leng)源(yuan)法(fa)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)
，仍(reng)然(ran)是(shi)測(ce)量(liang)被(bei)測(ce)器(qi)件(jian)的(de)增(zeng)益(yi)和(he)輸(shu)出(chu)噪(zao)聲(sheng)功(gong)率(lv)。不(bu)過(guo)，標(biao)量(liang)噪(zao)聲(sheng)校(xiao)準(zhun)方(fang)法(fa)是(shi)假(jia)設(she)在(zai)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)內(nei)係(xi)統(tong)源(yuan)匹(pi)配(pei)的(de)值(zhi)為(wei) 50 Ω
，因此無需使用阻抗調諧器。這種測量方法有兩個優點: 第一
，它的測量速度很快，因為它隻需要一次噪聲功率掃描就可以完成測量，而不是矢量噪聲校準方法所需要的 4 到 7 次(ci)噪(zao)聲(sheng)功(gong)率(lv)掃(sao)描(miao)測(ce)量(liang)。相(xiang)應(ying)地(di)，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)的(de)第(di)二(er)個(ge)優(you)點(dian)就(jiu)是(shi)實(shi)現(xian)起(qi)來(lai)成(cheng)本(ben)不(bu)是(shi)太(tai)高(gao)
，因(yin)為(wei)在(zai)測(ce)量(liang)過(guo)程(cheng)中(zhong)不(bu)需(xu)要(yao)把(ba)一(yi)個(ge)電(dian)子(zi)校(xiao)準(zhun)件(jian)當(dang)成(cheng)阻(zu)抗(kang)調(tiao)諧(xie)器(qi)來(lai)使(shi)用(yong)
，這(zhe)部(bu)分(fen)成(cheng)本(ben)就(jiu)可(ke)以(yi)從(cong)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)的(de)成(cheng)本(ben)中(zhong)除(chu)掉(diao)。這(zhe)種(zhong)測(ce)試(shi)方(fang)法(fa)中(zhong)的(de)一(yi)個(ge)需(xu)要(yao)權(quan)衡(heng)的(de)弊(bi)端(duan)是(shi)在(zai)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)中(zhong)會(hui)出(chu)現(xian)較(jiao)大(da)的(de)紋(wen)波(bo)
，因(yin)此(ci)也(ye)就(jiu)不(bu)是(shi)非(fei)常(chang)精(jing)確(que)
，出(chu)現(xian)紋(wen)波(bo)是(shi)因(yin)為(wei)由(you)被(bei)測(ce)器(qi)件(jian)的(de)噪(zao)聲(sheng)參(can)數(shu)引(yin)起(qi)的(de)誤(wu)差(cha)是(shi)不(bu)可(ke)以(yi)被(bei)去(qu)除(chu)的(de)。測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)的(de)誤(wu)差(cha)有(you)多(duo)大(da)要(yao)取(qu)決(jue)於(yu)係(xi)統(tong)源(yuan)匹(pi)配(pei)的(de)指(zhi)標(biao)有(you)多(duo)好(hao)以(yi)及(ji)被(bei)測(ce)器(qi)件(jian)對(dui)源(yuan)阻(zu)抗(kang)變(bian)化(hua)的(de)敏(min)感(gan)度(du)有(you)多(duo)高(gao)。

 

圖 24 比較了矢量噪聲校準和標量噪聲校準兩種測量方法所得到的結果。我們可以看到
，用矢量校準方法所得到的測量結果的曲線要平滑得多
；在zai標biao量liang校xiao準zhun方fang法fa所suo得de到dao的de結jie果guo中zhong
，如ru果guo在zai測ce試shi端duan口kou電dian纜lan的de末mo端duan增zeng加jia一yi個ge外wai接jie衰shuai減jian器qi的de話hua也ye有you助zhu於yu降jiang低di測ce量liang結jie果guo中zhong的de紋wen波bo。在zai本ben例li中zhong，用yong標biao量liang法fa使shi用yong 6 dB 衰減器進行測量所得到的結果與使用矢量法測量所得到的結果非常接近。

 

圖 24. 矢量噪聲校準法和標量噪聲校準法的測量結果比較

 

對掃描的考慮

 

在測量放大器時
，除了矢量噪聲校準法所需要的 4 到 7 次掃描測量噪聲功率之外
，還需要進行兩次傳統的 S 參數掃描測量 (正向和反向)

，以便精確地測量被測放大器的增益。因此，在默認進行 4 次阻抗掃描測量的情況下
，為了計算出噪聲係數

，分析儀必須要進行 6 次掃描。在測量變頻器時
，所需的最少掃錨次數是 8 次ci，考kao慮lv到dao輸shu入ru信xin號hao的de頻pin率lv和he輸shu出chu信xin號hao的de頻pin率lv不bu一yi樣yang
，所suo以yi在zai測ce量liang經jing過guo匹pi配pei校xiao準zhun的de變bian頻pin增zeng益yi時shi就jiu需xu要yao用yong正zheng弦xian波bo激ji勵li多duo做zuo兩liang次ci掃sao描miao。當dang使shi用yong標biao量liang噪zao聲sheng校xiao準zhun法fa測ce量liang放fang大da器qi的de噪zao聲sheng係xi數shu時shi，隻zhi需xu要yao進jin行xing 3 次掃描 (2 次用於測量 S 參數，1 次用於測量噪聲功率)；測量變頻器則需要 5 次掃描 (4 次用於測量經過匹配校準的變頻增益
，1 次用於測量噪聲功率)。圖 25 對dui比bi了le分fen別bie用yong標biao量liang法fa和he矢shi量liang法fa對dui放fang大da器qi的de噪zao聲sheng係xi數shu進jin行xing測ce量liang時shi的de測ce量liang速su度du，比bi較jiao了le做zuo噪zao聲sheng平ping均jun和he不bu做zuo噪zao聲sheng平ping均jun以yi及ji在zai不bu同tong的de軌gui跡ji點dian數shu的de情qing況kuang下xia兩liang種zhong方fang法fa在zai測ce量liang速su度du上shang的de差cha別bie。當dang進jin行xing噪zao聲sheng平ping均jun時shi (這也是廣受推薦的做法)，標量法的測量速度大概要快 4 倍。

 

圖 25. 標量噪聲校準法在測量速度上的改善大概有 4 倍之多

 

如果 PNA-X 中裝有低噪聲接收機的話 (選件 029 或 H29)，使用低噪聲接收機進行噪聲功率掃描測量 (這時正弦波激勵源是關閉的)

，在進行 S 參數或變頻增益測量時，則使用分析儀的標準測量接收機 (使用儀器內部的正弦波激勵源)。因為測試端口 2 上(shang)的(de)外(wai)接(jie)電(dian)路(lu)與(yu)低(di)噪(zao)聲(sheng)接(jie)收(shou)機(ji)搭(da)配(pei)使(shi)用(yong)，一(yi)旦(dan)切(qie)換(huan)到(dao)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)測(ce)量(liang)模(mo)式(shi)，儀(yi)器(qi)需(xu)要(yao)在(zai)標(biao)準(zhun)接(jie)收(shou)機(ji)和(he)低(di)噪(zao)聲(sheng)接(jie)收(shou)機(ji)之(zhi)間(jian)進(jin)行(xing)切(qie)換(huan)，無(wu)需(xu)使(shi)用(yong)額(e)外(wai)的(de)機(ji)械(xie)開(kai)關(guan)。使(shi)用(yong)選(xuan)件(jian) 028，所有的測量都是用標準接收機進行的。

 

使用標準接收機測量噪聲係數

 

使用 PNA-X 網絡分析儀選件 028，需要用 PNA-X 的標準接收機來測量噪聲係數計算所需的兩種數據－噪聲功率和被測器件的增益 (選件 029 和 H29 包括低噪聲接收機
，允許使用標準接收機進行噪聲係數測量
，如圖 26 所示)。為(wei)了(le)使(shi)用(yong)標(biao)準(zhun)的(de)接(jie)收(shou)機(ji)測(ce)量(liang)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)
，同(tong)時(shi)為(wei)了(le)能(neng)夠(gou)得(de)到(dao)真(zhen)正(zheng)可(ke)用(yong)的(de)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)，必(bi)須(xu)要(yao)能(neng)夠(gou)充(chong)分(fen)理(li)解(jie)並(bing)克(ke)服(fu)在(zai)測(ce)量(liang)中(zhong)涉(she)及(ji)到(dao)增(zeng)益(yi)和(he)濾(lv)波(bo)的(de)一(yi)些(xie)實(shi)際(ji)限(xian)製(zhi)因(yin)素(su)。這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)都(dou)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)選(xuan)件(jian) 029 和 H29 低噪聲接收機解決。圖 27 顯示了低噪聲接收機在高頻段 (3 GHz 至 26.5 GHz) 的結構圖。在圖中我們可以看到有兩個關鍵模塊: 第一個是輸入端口上的 LNA，第二個是在混頻器之前的一組濾波器。

 

圖 26. 選件 029/H29 的噪聲係數設置界麵, 提供噪聲接收機或標準接收機進行噪聲係數測量的選項

 

圖 27. 高頻段噪聲接收機的結構圖

 

對增益控製的要求

 

LNA 在提供增益的同時不會添加過多的噪聲 (它本身的噪聲係數很小)，這意味著整個接收機的測量靈敏度會非常好。圖 28 顯示了 PNA-X 配置了選件 029 之後在測試端口 2 上的噪聲係數值。LNA 可以測量噪聲小而且增益也較低的器件，無需使用外部前置放大器。對於被測器件的增益加上噪聲係數的值接近 30 dB 的情況，上圖中的三個輸入放大器都會用到。對於被測器件的增益加上噪聲係數的值超過 30 dB 的情況，在測量中根據需要會把圖中的第二和第三個放大器切換連接到 15 dB 的衰減器上
，這樣可以避免接收機產生壓縮的情況。

 

圖 28. 端口 2 的典型噪聲係數

 

當使用標準接收機時－這意味著在混頻器之前沒有 LNA
，因此儀器的實際噪聲係數可以達到 25 至 45 dB (沒有把測試端口上的耦合器損耗計算在內)－輸shu入ru到dao接jie收shou機ji的de噪zao聲sheng應ying當dang至zhi少shao和he接jie收shou機ji內nei部bu噪zao聲sheng是shi一yi樣yang大da的de
，要yao想xiang得de到dao一yi個ge理li想xiang的de測ce量liang結jie果guo
，輸shu入ru噪zao聲sheng應ying比bi接jie收shou機ji所suo產chan生sheng的de噪zao聲sheng大da得de多duo。如ru果guo被bei測ce器qi件jian的de增zeng益yi加jia上shang噪zao聲sheng係xi數shu的de值zhi小xiao於yu 30 dB (頻率高達 20 GHz) 或者小於 40 dB (頻率高達 50 GHz) 或小於 45 dB (頻率高達 67 GHz)，建議使用外部前置放大器才能滿足上麵所說的測量條件。如圖 29 suoshi，keyifeichangfangbiandicongqianmianbandetiaoxianjiekoubawaijiedeqianzhifangdaqijierujieshoujilujing。yinweiqianzhifangdaqishizaibeiceqijiandehoumian，yincitadezengyibuhuicongceliangjieguozhongtongguobizhideyunsuanquchudiao。yinci

，zaiceliangshibaochizhouweihuanjingwendudewendingshijiweizhongyaode，tongshi，yaobaozhengzaiqianzhifangdaqiyijingchongfenyurewanbizhihouzaijinxingxiaozhunheceliang。dangshiyongwaibuqianzhifangdaqishi，tongchanghaixuyaozaiqianzhifangdaqideshuchuduankouwaijieyigelvboqi。shiyongbiaozhunjieshoujiduiyixiezengyihengaodeqijian (> 60 dB) 來說是非常適用的，例如一些變頻器，因為被測器件的高輸出噪聲功率不會造成接收機產生壓縮
；但如果用低噪聲接收機測量這類器件的話，即便是把儀器內的增益設置到最低的程度
，也會導致接收機產生壓縮的現象。

 

(LNA)圖 29. 使用標準接收機測量噪聲係數的原理圖, 第二個端口的耦合器被反向連接, 圖中還顯示出了外接的前置放大器和濾波器

 

無(wu)論(lun)是(shi)否(fou)使(shi)用(yong)前(qian)置(zhi)放(fang)大(da)器(qi)，在(zai)使(shi)用(yong)標(biao)準(zhun)接(jie)收(shou)機(ji)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)時(shi)，對(dui)大(da)部(bu)分(fen)的(de)器(qi)件(jian)我(wo)們(men)都(dou)推(tui)薦(jian)把(ba)用(yong)於(yu)測(ce)量(liang)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)的(de)測(ce)試(shi)端(duan)口(kou)上(shang)的(de)耦(ou)合(he)器(qi)反(fan)著(zhe)接(jie) (如圖 30 所示)，這樣可以去除接收機路徑中的耦合器損耗。這樣做可以在 1 GHz 的頻率以上把係統的靈敏度提高 15 dB，這一數值遠大於在 1 GHz 頻率以下的靈敏度－耦合臂在 1 GHz 之下會呈現出高通響應特征 (圖 31)。不過
，把測試端口上的耦合器反接之後雖然不會妨礙測量 S 參數，但是在測量 S12 或 S22 時會降低可用的功率。總之，這種連接方法是測量噪聲係數時的一種可以接受的權衡取舍辦法。

 

圖 30. 把測試端口耦合器反接時的跳線連接方法 (把耦合器的主臂和耦合臂對調)

 

圖 31. 測試端口耦合器的頻率響應 (耦合臂)

 

對濾波的要求

 

專(zhuan)用(yong)低(di)噪(zao)聲(sheng)接(jie)收(shou)機(ji)的(de)另(ling)外(wai)一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)部(bu)分(fen)是(shi)置(zhi)於(yu)混(hun)頻(pin)器(qi)之(zhi)前(qian)的(de)一(yi)組(zu)濾(lv)波(bo)器(qi)，根(gen)據(ju)具(ju)體(ti)的(de)測(ce)量(liang)頻(pin)段(duan)是(shi)用(yong)基(ji)波(bo)混(hun)頻(pin)還(hai)是(shi)三(san)次(ci)諧(xie)波(bo)混(hun)頻(pin)的(de)情(qing)況(kuang)
，這(zhe)些(xie)濾(lv)波(bo)器(qi)可(ke)以(yi)去(qu)除(chu)在(zai)接(jie)收(shou)機(ji)本(ben)振(zhen)基(ji)波(bo)頻(pin)率(lv)或(huo)三(san)次(ci)諧(xie)波(bo)頻(pin)率(lv)附(fu)近(jin)的(de)噪(zao)聲(sheng)。如(ru)圖(tu) 32 所示，當使用基波混頻時，由於混頻過程當中存在著非線性現象，因此混頻器在內部會產生多餘的三次諧波信號 (也會產生高次諧波信號，但是它們所產生的影響普遍都是很小
，可以忽略)。ruguojinrudaohunpinqidezaoshengdepinlvshizaisancixiebofujin，tajiuhuiheyijingyubenzhendejiboxinhaohunpinledezaoshengxinhaoyiqihunpindaozhongpin，yinweizaisancixiebofujindebianpinxiaolvyaobizaijibopinlvshangdebianpinxiaolvxiao 10 dB
，suoyixinzengjiadezaoshengxiangduilaishuobijiaoshao。ruguobujiarurenhelvbocuoshi，zhexiefujiadezaoshengjiuhuicongbeiceqijianchulai，daozhisuocededezaoshengxishuchuxianyuliaozhiwaidezengjia。dangfenxiyizaineibushiyongsancixiebohunpinbazaoshengxiabianpindaozhongpinjinxingceliangshi
，yehuichuxiantongyangdewenti
，buguozhezhongqingkuangxiazaijibopinlvfujinchuxiandeduoyuzaoshengyaobiwomensuoxuyaodezaisancixiebofujindezaoshengdadeduo，jieguojiuhuidaozhiceliangjieguodewuchayaobishiyongjibohunpinfangfadewuchadahenduo。zhegewentikeyishiyonghunpinqizhiqiandelvboqijiayijiejue

，qingkuangjiurutongxuanjian 029 或 H29 (頻率高達 26.5 GHz) 一樣。

 

圖 32. 當使用標準接收機測量時, 寬帶輸入噪聲會與本振的基波以及內部產生的三次諧波像混頻

 

對於 43.5 GHz 和 50 GHz PNA-X 網絡分析儀 而言
，當頻率在 26.5 GHz 以下時，用的是基波混頻方法，在 26.5 GHz 以上用三次諧波混頻方法。圖 33 比較了對同一個放大器大噪聲係數進行測量的結果，即放大器在寬帶未經濾波時的測量結果和使用中心頻率為 41 GHz 的帶通濾波器時的測量結果。在不經過濾波的情況下
，測得的噪聲係數在靠近顯示屏幕中間的 26.5 GHz 處有一個很大的跳變

，在 41 GHz 附近顯示出來的噪聲係數值約為 19 dB。經過濾波之後再測量，在 41 GHz 附近的噪聲係數為 4.5 dB

，這zhe是shi正zheng確que的de測ce量liang結jie果guo。如ru果guo器qi件jian在zai其qi內nei部bu就jiu有you濾lv波bo機ji製zhi或huo者zhe本ben身shen就jiu是shi窄zhai帶dai器qi件jian的de話hua，那na麼me在zai用yong標biao準zhun接jie收shou機ji測ce量liang噪zao聲sheng係xi數shu時shi就jiu不bu需xu要yao使shi用yong外wai部bu濾lv波bo器qi。當dang在zai接jie收shou機ji的de環huan路lu上shang使shi用yong一yi個ge前qian置zhi放fang大da器qi時shi，通tong常chang需xu要yao對dui這zhe個ge前qian置zhi放fang大da器qi的de輸shu出chu進jin行xing濾lv波bo
，除chu非fei放fang大da器qi本ben身shen的de頻pin率lv響xiang應ying就jiu足zu夠gou窄zhai
，能neng夠gou把ba不bu需xu要yao的de混hun頻pin信xin號hao抑yi製zhi掉diao。在zai測ce量liang寬kuan帶dai寬kuan器qi件jian時shi，可ke能neng需xu要yao多duo個ge濾lv波bo器qi對dui感gan興xing趣qu的de頻pin率lv範fan圍wei進jin行xing操cao作zuo，在zai這zhe樣yang的de情qing況kuang下xia
，整zheng個ge頻pin率lv範fan圍wei的de測ce量liang工gong作zuo就jiu需xu要yao分fen成cheng幾ji個ge頻pin帶dai較jiao窄zhai的de範fan圍wei來lai分fen別bie測ce量liang。如ru果guo用yong戶hu想xiang在zai 10 MHz 至 50 GHz 的頻率範圍內進行測量，我們推薦使用 N5245A 選件 H29。當頻率在 26.5 GHz 以下時
，可以使用低噪聲接收機，並用其三次諧波抑製濾波器來提高測量精度
，從 26.5 到 50 GHz 的範圍內，可以使用配有高通濾波器、轉角頻率在 18 至 26.5 GHz 之間的前置放大器。在這個頻段內製作一個同軸高通濾波器有一個簡單的方法，即，把兩個同軸－波導適配器連接在一起
，這是因為波導傳輸線本身就固有高通響應特征。

 

圖 33. 使用 50 GHz PNA-X 標準接收機測量經過濾波和不經過濾波的放大器的噪聲係數, 並比較測量結果

 

噪聲功率參數

 

PNA-X網絡分析儀 除了能夠測量器件的噪聲係數之外，還能顯示從被測器件輸出的噪聲功率。噪聲功率可以表示為可用功率 (推算到共軛匹配負載) 或入射功率 (推算到 50 Ω 負載)，可以顯示為絕對數值 (dBm
，歸一化為 1 Hz 帶寬) 或相對數值 (dB，相對於 -174 dBm)。xitongzaoshenggonglvcanshubaokuozaoshengjieshoujichanshengdefujiazaoshenggonglv，danshizaiceliangbeiceqijiandezaoshenggonglvcanshushihuibajieshoujisuochanshengdebufencongcededezaoshenggonglvzhongjiandiao。PNA-X 還可以直接測量 ENR
，在測量 ENR 時，PNA-X 在噪聲源加電的狀態下測量噪聲功率隨頻率變化的情況
，然後用測得的熱噪聲與係統校準時得到的冷噪聲來計算 ENR。

 

因為測量噪聲功率參數時是不能使用矢量噪聲校準方法的
，因此測量需要兩次掃描: 第一次掃描用來測量 S22 (通過去除接收機所產生的噪聲來對接收機的噪聲參數進行校正，以便獲得被測器件的噪聲功率參數，並計算出可用功率)
；第二次掃描是噪聲功率掃描。

 

測量變頻器的噪聲係數

 

使用冷源法測量變頻器的優勢之一是它對單邊帶 (SSB) 和雙邊帶 (DSB) 變頻器都能正確地進行測量。DSB 變頻器比等效的 SSB 變頻器會有更多的下變頻噪聲，這是因為 SSB 變頻器內部在混頻器的前麵沒有使用鏡像濾波器
，如圖 34 所示。這意味著在頻點 (LO + IF) 和 (LO – IF) 上的噪聲會變頻到 IF 上(shang)。兩(liang)個(ge)邊(bian)帶(dai)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)噪(zao)聲(sheng)有(you)可(ke)能(neng)不(bu)一(yi)樣(yang)大(da)，因(yin)為(wei)它(ta)們(men)依(yi)賴(lai)於(yu)變(bian)頻(pin)器(qi)前(qian)端(duan)混(hun)頻(pin)級(ji)之(zhi)前(qian)電(dian)路(lu)的(de)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)特(te)征(zheng)。如(ru)果(guo)前(qian)端(duan)電(dian)路(lu)的(de)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)在(zai)中(zhong)頻(pin)的(de)上(shang)下(xia)偏(pian)置(zhi)範(fan)圍(wei)之(zhi)間(jian)表(biao)現(xian)得(de)比(bi)較(jiao)平(ping)坦(tan)
，那(na)麼(me) DSB 變頻器會比 SSB 等效變頻器多產生 3 dB 的噪聲。在頻率響應不是很平坦的情況下
，如果等效 SSB 變頻器的鏡像濾波器位於兩個邊帶中較大的邊帶附近，那麼兩種變頻器所產生的噪聲差異會較小；如果等效 SSB 變頻器的鏡像濾波器位於兩個邊帶中較小的邊帶附近

，那麼這種噪聲的差異就會較大。當使用 Y 因子法時，測量兩個等效 SSB 變頻器和一個 DSB 變頻器的噪聲係數所得到的結果將會是相同的，這是因為在測量中把噪聲功率的測量結果進行了一次比值計算，DSB 變頻器的額外噪聲 (相對於 SSB 變頻器而言) 在求比的過程中被抵消掉了。對於大部分 DSB 被測器件
，使用 NFA 或基於頻譜分析儀的解決方案所得到的測量結果通常要比實際的噪聲係數值好 (小) 0 到 3 dB
，當然有時候誤差很可能比這個範圍還要大一些。因為冷源法隻測量一次噪聲功率
，不存在比值計算問題，因此 DSB 和 SSB 變頻器的噪聲係數都可以被準確地測量出來。

 

圖 34. 單邊帶和雙邊帶變頻器

 

測量嵌入式本振的變頻器

 

qianrushibenzhenbianpinqimeiyoubenzhenhuoshijixinhaodejiekou
，zhegeitamendeceliangdailaileewaidekunnan。qianrushibenzhenbianpinqizaihenduoweixingzhuanfaqishangdouhuiyongdao，zheshiyinweizaiweixingshangqijiandechicunhezhongliangdoushoudaoxianzhi，tongshiweilefangzhichuxianbuxuyaodezasanxinhaoyedouxuyaoxianzhiduianzhuangzaiweixingshangdebianpinqidebenzhenxinhaodejiechu。ruguojiechubudaobianpinqidebenzhenxinhaohuoshijixinhao
，jiuhuigeiceliangdailaimafan。zhezhongbeiceqijianshuchuxinhaodepinlvbingbuyidingjiushitayingyoudepinlv，yinweiqijianneizhibenzhenxinhaodepinlvyongyuandoubuhuijiushitadebiaochengzhi。ruguoqijianneizhibenzhenxinhaodepinlvpianzhibiceliangbianpinzengyisuoyongdezhongpindaikuanhaiyaoda，namezaiceliangzengyishijiuhuiyinqifeichangdadewucha。jiejuebanfashitiaozheng PNA-X 接(jie)收(shou)機(ji)的(de)調(tiao)諧(xie)狀(zhuang)態(tai)，這(zhe)樣(yang)可(ke)以(yi)讓(rang)被(bei)測(ce)器(qi)件(jian)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)的(de)頻(pin)率(lv)正(zheng)好(hao)落(luo)在(zai)分(fen)析(xi)儀(yi)測(ce)量(liang)變(bian)頻(pin)增(zeng)益(yi)時(shi)所(suo)選(xuan)擇(ze)的(de)中(zhong)頻(pin)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)中(zhong)間(jian)。為(wei)了(le)讓(rang)這(zhe)種(zhong)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)更(geng)有(you)效(xiao)果(guo)
，內(nei)置(zhi)本(ben)振(zhen)信(xin)號(hao)的(de)頻(pin)率(lv)就(jiu)必(bi)須(xu)要(yao)相(xiang)對(dui)地(di)穩(wen)定(ding)一(yi)些(xie)，這(zhe)種(zhong)要(yao)求(qiu)對(dui)於(yu)應(ying)用(yong)在(zai)航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)與(yu)國(guo)防(fang)領(ling)域(yu)中(zhong)的(de)衛(wei)星(xing)轉(zhuan)發(fa)器(qi)和(he)接(jie)收(shou)機(ji)來(lai)說(shuo)基(ji)本(ben)上(shang)都(dou)可(ke)以(yi)滿(man)足(zu)，因(yin)為(wei)它(ta)們(men)的(de)本(ben)振(zhen)信(xin)號(hao)都(dou)是(shi)鎖(suo)定(ding)在(zai)很(hen)穩(wen)定(ding)而(er)且(qie)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)也(ye)很(hen)小(xiao)的(de)晶(jing)體(ti)振(zhen)蕩(dang)器(qi)上(shang)。

 

PNA-X網絡分析儀 的調諧過程非常簡單和直接。首先，先把射頻激勵源的頻率設置到測量的中心頻率上
，然後，PNA-X 進行一次寬帶接收機頻率掃描

，掃描的中心設為被測器件的額定輸出頻率上 (根據額定本振信號的頻率計算出來的)。根據實際信號的頻率峰值和理論信號的頻率之差，我們可以確定適用於調整 PNA-X 接收機調諧過程的頻偏值。內部接收機掃描的頻率跨度也可以由用戶設定，最大可以設置為 10 MHz，顯然這要比實際變頻器的頻偏大得多。

 

測量差分器件的噪聲係數

 

從理論上說測量差分 (平衡) 放大器的噪聲係數是比較簡單的。為了得到一個真正差分模式的噪聲信號
，需要在被測器件的輸入端口上連接一個平衡-不平衡變換器或 0°/180° 混合電路。對於完全都是平衡結構的器件，還需要在被測器件的輸出端連接一個平衡-不平衡變換器或混合電路，如圖 35 所示。混合電路是非常有用的元件，通過利用它的求和/∑ (0°)和求差/∆ (180°) 端口來測量差分模式和共模模式的噪聲係數。當測量晶圓上的器件時，測試探頭連接到平衡-不平衡變換器或混合電路的差分 (或共模) 模式一側。進行差分或共模測量的過程可以簡要歸納為以下三個步驟:

 

1. 使用標量噪聲校準或矢量噪聲校準方法進行單端噪聲係數校準時, 不用連接平衡－不平衡變換器或混合電路, 或者是探頭

 

2. 在單端測試端口和被測器件的差分端口之間插入經過表征的平衡－不平衡變換器或混合電路 (如果需要還會插入探頭)

 

3. 對被測器件進行測量, 用分析儀的 "夾具" 特性把輸入端口 (也可能是輸出端口) 上的平衡－不平衡變換器或混合電路的特征進行去嵌入處理

 

圖 35. 測量平衡放大器或變頻器時需要使用平衡－不平衡變換器或混合電路

 

表征平衡－不平衡變換器或混合電路的特征

 

雖然平衡－不平衡變換器或混合電路本身作為一個三端口器件具有 9 個單端或混合模式的參數，但是為了進行去嵌入處理，我們必須要把它們當成具有 4 個參數的雙端口器件來處理，做到這一點隻需要忽略與多餘模式相關的參數即可。例如
，對於平衡－不平衡變換器來說，隻有 4 個單端-差分模式參數是重要的，而其餘 5 個共模和混合模式參數可以忽略。如果用戶還想用混合電路測量共模模式的噪聲係數，那麼除了要用到 4 個單端-差分模式參數之外，另外 4 個單端－共模模式參數也會用到。

 

在測量被測器件之前
，必須用手動方式生成差分或共模的 .s2p 文件，用於對平衡－不平衡變換器或混合電路進行去嵌入。平衡－不平衡變換器或混合電路是作為單端三端口器件來測量的，PNA-X網絡分析儀 會從它們的單端數據中計算出差分或共模性能。這個操作過程的第一步是先對 PNA-X 做三端口校準，接下來給平衡－不平衡變換器或混合電路連接上互連電纜 (如果需要的話還會連接探頭)，使用四條軌跡設置並測量指定的混合模式參數 (圖 36)。平衡－不平衡變換器或或混合電路 (在測量中它們既可以連接在被測器件的輸入端也可以連接在輸出端) 的單端輸入端口應與 PNA-X 的端口 1 連接

，這是因為當使用去嵌入功能時，儀器的夾具特性會認為被去嵌入的元件 (即平衡－不平衡變換器或或混合電路) 的端口 2 是與被測器件的輸入端口或輸出端口連接。當使用混合電路時，在差分模式測量時應在 S 端口上連接一個 50 Ω 端接負載，在共模模式測量時應在 ∆ 端口上連接一個 50 Ω duanjiefuzai。ruguoxuyaoduiliangzhongmoshidoujinxingbiaozheng，tezhengshujubixuyaofenchengbutongdeshujuwenjianjinxingbaocun。yidanshidangdechafenhuogongmoshujubeiceliangzhihou，tamendeshujujiubeibaocuncheng .s2p 文件 [操作步驟是點擊 File，接著選擇 Save Data As…
，Trace (*.s2p)]。PNA-X 會提醒用戶需要用到的端口－對於差分模式的數據
，選擇 S1 和 D2，對於共模模式的數據

，選擇 S1 和 C2。

 

圖 36. 選擇適當的 4 個差分或共模參數

 

測量噪聲參數

 

到目前為止我們所討論的 PNA-X網絡分析儀解決方案都是關於測量 50 Ω 噪聲係數。然而，LNA 的de設she計ji人ren員yuan為wei了le設she計ji最zui佳jia匹pi配pei電dian路lu，往wang往wang需xu要yao測ce量liang未wei經jing匹pi配pei的de高gao反fan射she晶jing體ti管guan的de噪zao聲sheng係xi數shu與yu源yuan阻zu抗kang之zhi間jian的de關guan係xi。這zhe種zhong類lei型xing的de表biao征zheng就jiu產chan生sheng了le對dui噪zao聲sheng參can數shu的de需xu要yao。一yi個ge完wan整zheng的de噪zao聲sheng參can數shu分fen析xi過guo程cheng需xu要yao在zai被bei測ce器qi件jian的de輸shu入ru端duan附fu近jin放fang置zhi一yi個ge調tiao諧xie器qi，用yong於yu提ti供gong寬kuan範fan圍wei的de源yuan阻zu抗kang。Maury Microwave 公司最近新開發了一種基於 PNA-X 的噪聲參數測試係統
，這個新係統與過去的係統相比，測量速度更快而且精度也更高。並且，新係統比以前基於獨立 VNA 和(he)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)分(fen)析(xi)儀(yi)的(de)係(xi)統(tong)設(she)置(zhi)起(qi)來(lai)更(geng)容(rong)易(yi)。由(you)於(yu)這(zhe)個(ge)係(xi)統(tong)采(cai)用(yong)了(le)更(geng)為(wei)先(xian)進(jin)的(de)測(ce)量(liang)算(suan)法(fa)
，因(yin)此(ci)在(zai)保(bao)證(zheng)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)明(ming)顯(xian)提(ti)高(gao)的(de)同(tong)時(shi)
，測(ce)量(liang)速(su)度(du)也(ye)比(bi)以(yi)前(qian)快(kuai)了(le) 100 倍。圖 37 顯示了采用新的測量方法之後，得到的測試曲線更平滑了，測量精度也明顯提高。Maury Microwave 公司基於 PNA-X 的噪聲參數測試係統能夠覆蓋高達 50 GHz 的頻率範圍。

 

圖 37. 與過去的係統相比, Maury Microwave 公司基於 PNA-X 的噪聲參數係統的測量精度和速度都顯著提高

 

從使用者的角度來看進行噪聲校準要相對簡單一些
，在最簡單的情況下，測量放大器隻由 3 個校準步驟組成，測量變頻器則隻由 4 個校準步驟組成。校準時需要使用儀器內部的正弦波激勵源
，一個噪聲源和/或一個功率計，一個直通連接以及 S 參數校準標準件 (電子校準件或機械校準件)。與簡單的 S canshuxiaozhunxiangbi，zaoshengxishuxiaozhunxuyaozuogengduodeceliang，ruguozaixiaozhunzhongshiyongdeshijixiexiaozhunjian，huoshiyixiexuyaozuoquqianruchulideshipeiqi
，nameyaojinxingdeceliangbuzhouhuigengduo。

 

矢量噪聲校準

 

圖 38 概述了 PNA-X網絡分析儀 在(zai)測(ce)量(liang)矢(shi)量(liang)校(xiao)準(zhun)放(fang)大(da)器(qi)的(de)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)時(shi)所(suo)用(yong)到(dao)的(de)校(xiao)準(zhun)步(bu)驟(zhou)
，儀(yi)器(qi)內(nei)部(bu)裝(zhuang)有(you)低(di)噪(zao)聲(sheng)接(jie)收(shou)機(ji)，使(shi)用(yong)了(le)兩(liang)個(ge)電(dian)子(zi)校(xiao)準(zhun)件(jian)。整(zheng)個(ge)校(xiao)準(zhun)由(you)三(san)個(ge)步(bu)驟(zhou)組(zu)成(cheng)。第(di)一(yi)步(bu)，把(ba)噪(zao)聲(sheng)源(yuan)連(lian)接(jie)到(dao)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)的(de)第(di)二(er)個(ge)端(duan)口(kou)，測(ce)量(liang)噪(zao)聲(sheng)源(yuan)在(zai)冷(leng)
、熱兩種狀態下的噪聲功率
，與此同時還測量了噪聲源相對應的匹配。第二步，把一個直通校準件連接在測試端口 1 和端口 2 之zhi間jian
，這zhe個ge步bu驟zhou中zhong要yao測ce量liang的de是shi噪zao聲sheng接jie收shou機ji在zai三san種zhong不bu同tong的de增zeng益yi設she置zhi狀zhuang態tai下xia其qi增zeng益yi的de差cha別bie

，同tong時shi還hai測ce量liang相xiang對dui應ying的de負fu載zai匹pi配pei。因yin為wei在zai校xiao準zhun過guo程cheng中zhong這zhe三san個ge增zeng益yi設she置zhi狀zhuang態tai都dou進jin行xing了le測ce試shi，因yin此ci在zai測ce量liang過guo程cheng中zhong如ru果guo出chu現xian過guo載zai就jiu可ke以yi改gai變bian增zeng益yi的de設she置zhi。同tong樣yang在zai第di二er步bu中zhong
，被bei用yong作zuo阻zu抗kang調tiao諧xie器qi的de電dian子zi校xiao準zhun件jian的de反fan射she係xi數shu (即源阻抗) 的也得到了測量。在第三步中，需要使用另一個電子校準件或適當的機械校準套件來收集常規 S 參數誤差項數據。如果電子校準件上的連接器與被測器件的連接器完全匹配


，那麼第三步就隻是很簡單的一次測量
，如果不匹配 (例如被測器件是陰頭-陰頭連接器，而電子校準件是陽頭-陰頭連接器)，則在第三步需要測量兩次。

 

圖 38. 使用低噪聲接收機測量噪聲係數和電子校準件校準常規 S 參數的矢量噪聲校準步驟

 

為了確定接收機的噪聲參數
，在 S 參(can)數(shu)測(ce)試(shi)中(zhong)用(yong)到(dao)的(de)電(dian)子(zi)校(xiao)準(zhun)件(jian)也(ye)可(ke)以(yi)作(zuo)為(wei)阻(zu)抗(kang)調(tiao)諧(xie)器(qi)使(shi)用(yong)，用(yong)於(yu)測(ce)量(liang)在(zai)不(bu)同(tong)源(yuan)阻(zu)抗(kang)條(tiao)件(jian)下(xia)接(jie)收(shou)機(ji)的(de)噪(zao)聲(sheng)功(gong)率(lv)。因(yin)為(wei)在(zai)這(zhe)個(ge)電(dian)子(zi)校(xiao)準(zhun)件(jian)和(he)噪(zao)聲(sheng)接(jie)收(shou)機(ji)之(zhi)間(jian)的(de)損(sun)耗(hao)比(bi)較(jiao)小(xiao)，它(ta)被(bei)當(dang)成(cheng)接(jie)收(shou)機(ji)的(de)源(yuan)牽(qian)引(yin) (而不是用作阻抗調諧器) 來使用，這樣可以產生比較高的反射係數，並且更好地對噪聲參數進行表征。

 

圖 39 顯示了用低噪聲接收機測量矢量校準放大器、同時用機械校準套件測量 S 參數部分的校準步驟。這個過程和前一幅圖中所描述的情形相類似，這裏主要的差別是接收機噪聲功率與源匹配的關係是在第二步 (把電子校準件配置成調諧器) 和第三步 (使用機械校準件的開路
，短路和負載件) 中測量的。在接收機噪聲功率的測量結果中增加機械標準件的數據
，可以給出更多的數據，從而獲得更高測量精度的 "超定" 測量辦法。

 

圖 39. 使用低噪聲接收機測量噪聲係數和機械標準件校準常規 S 參數的矢量噪聲校準步驟

 

標準接收機的噪聲校準

 

當(dang)使(shi)用(yong)標(biao)準(zhun)接(jie)收(shou)機(ji)而(er)不(bu)是(shi)低(di)噪(zao)聲(sheng)接(jie)收(shou)機(ji)測(ce)量(liang)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)時(shi)，校(xiao)準(zhun)過(guo)程(cheng)會(hui)有(you)兩(liang)個(ge)改(gai)變(bian)。第(di)一(yi)個(ge)改(gai)變(bian)是(shi)不(bu)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)噪(zao)聲(sheng)源(yuan)來(lai)表(biao)征(zheng)由(you)接(jie)收(shou)機(ji)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)噪(zao)聲(sheng)。當(dang)表(biao)征(zheng)低(di)噪(zao)聲(sheng)接(jie)收(shou)機(ji)時(shi)
，使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)噪(zao)聲(sheng)源(yuan)可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)接(jie)收(shou)機(ji)的(de)增(zeng)益(yi)-帶寬值，這是在計算噪聲功率所帶來的額外噪聲時所必須知道的數據。但是當接收機的噪聲係數比噪聲源所產生的噪聲大得多時——使shi用yong網wang絡luo分fen析xi儀yi的de標biao準zhun接jie收shou機ji測ce量liang噪zao聲sheng係xi數shu就jiu是shi這zhe種zhong情qing況kuang，這zhe種zhong方fang法fa就jiu行xing不bu通tong了le。這zhe個ge問wen題ti可ke以yi通tong過guo把ba接jie收shou機ji的de增zeng益yi和he帶dai寬kuan分fen開kai測ce量liang來lai解jie決jue，然ran後hou再zai用yong數shu學xue方fang法fa計ji算suan出chu增zeng益yi-daikuanzhi。zaiceliangzengyishi，weilenenggouduijieshoujijinxingxiaozhunshizhikeyijingquediceliangzhengxianboxinhaodegonglv
，xuyaobayigegonglvjidangzuojueduigonglvcankaoshiyong。tongguozhaidaipinlvsaomiaokeyiquedingzhongpinlvboqidefuduxiangying，ranhouzaiduizhegefuduxiangyingjinxingjifenjiukeyijisuanjieshoujideyouxiaozaoshengdaikuan
，yejiuwanchenglejieshoujidezaoshengdaikuanceliang。yinweizaiceliangzaoshenggonglvshishiyonglelingzhongpinhunpin，suoyizaixiaozhunguochengzhonghuizaiyiqidexianshipingshangchuxianshuangfengzhidexiangyingtezheng
，rutu 40 所示。

 

圖 40. 在校準過程中測量標準接收機的有效噪聲帶寬

 

當dang使shi用yong標biao準zhun接jie收shou機ji測ce量liang噪zao聲sheng係xi數shu時shi，校xiao準zhun過guo程cheng中zhong的de第di二er個ge變bian化hua是shi隻zhi需xu要yao進jin行xing一yi次ci增zeng益yi測ce量liang即ji可ke，因yin為wei標biao準zhun接jie收shou機ji內nei部bu的de混hun頻pin器qi之zhi前qian沒mei有you可ke切qie換huan的de放fang大da器qi。

 

標量噪聲校準技術

 

當進行標量噪聲校準時，因為經過標量校準的測量是在假設有一個理想的 50 Ω 源yuan匹pi配pei的de條tiao件jian下xia進jin行xing，所suo以yi對dui當dang成cheng阻zu抗kang調tiao諧xie器qi使shi用yong的de電dian子zi校xiao準zhun件jian的de阻zu抗kang狀zhuang態tai測ce量liang就jiu被bei忽hu略lve了le。然ran而er，為wei了le在zai第di二er級ji噪zao聲sheng校xiao正zheng的de過guo程cheng中zhong可ke以yi做zuo得de更geng為wei精jing確que，用yong於yu測ce量liang噪zao聲sheng功gong率lv的de接jie收shou機ji源yuan牽qian引yin測ce量liang仍reng然ran會hui執zhi行xing。如ru果guo是shi使shi用yong電dian子zi校xiao準zhun件jian對dui S 參數測量進行校準，那麼這個電子校準件也可以用於源牽引測量。如果測量 S 參數使用的是機械校準套件
，那麼機械校準套件的開路標準件、短路標準件和負載標準件也能夠用於源牽引測量。為了求解測量接收機的噪聲參數至少需要知道 4 種zhong阻zu抗kang狀zhuang態tai的de測ce量liang結jie果guo，因yin此ci在zai做zuo直zhi通tong校xiao準zhun時shi也ye多duo做zuo了le一yi步bu測ce量liang

，把ba測ce試shi係xi統tong原yuan始shi的de源yuan匹pi配pei當dang作zuo額e外wai的de阻zu抗kang標biao準zhun來lai使shi用yong。源yuan匹pi配pei原yuan始shi數shu據ju的de複fu數shu值zhi是shi S 參數校準數據的一部分。

 

測量變頻器時的校準

 

當測量變頻器時，在校準過程的開始階段還要額外增加一步操作
，把一個功率計連接在測試端口 1 上(shang)。這(zhe)一(yi)步(bu)操(cao)作(zuo)是(shi)對(dui)激(ji)勵(li)源(yuan)的(de)功(gong)率(lv)進(jin)行(xing)校(xiao)準(zhun)，調(tiao)節(jie)源(yuan)功(gong)率(lv)隨(sui)頻(pin)率(lv)的(de)變(bian)化(hua)。這(zhe)個(ge)經(jing)過(guo)校(xiao)準(zhun)的(de)功(gong)率(lv)隨(sui)後(hou)會(hui)用(yong)在(zai)對(dui)標(biao)準(zhun)接(jie)收(shou)機(ji)的(de)校(xiao)準(zhun)上(shang)，使(shi)之(zhi)能(neng)夠(gou)進(jin)行(xing)絕(jue)對(dui)功(gong)率(lv)測(ce)量(liang)
，這(zhe)對(dui)於(yu)測(ce)量(liang)變(bian)頻(pin)器(qi)的(de)變(bian)頻(pin)增(zeng)益(yi) (或損耗) 是非常必要的。這個功率校準方法與標量混頻器/變頻器 (SMC) 測量所用的方法相同。

 

晶圓上校準

 

shiyongdizaoshengjieshoujiyongshiliangxiaozhundefangfajinxingjingyuanshangceliangshi
，youliangzhongfangfajinxingxiaozhun。yinweizaoshengyuandetongzhoulianjieqibunenglianjiedaojingyuantantouduanshang，zheliangzhongxiaozhunfangfadouwufarangzaoshengyuanchuzaibeiceqijiandeceliangpingmianshang。zaixiamiandelianggeshilizhong
，womenhuijieshaozaixiaozhunguochengzhongruhelianjiezaoshengyuan；zaishiyongbiaozhunjieshoujihetongzhougonglvjijinxingjingyuanshangceliang，huotongguolianjieyigegonglvjijinxingbianpinqiceliangshi
，keyicaiyongtongzhouxiaozhunhejingyuanshangxiaozhunzheliangzhongfangfadezuhe。

 

在圖 41 所示的實例中，首先通過一個陰頭－陰頭 (f-f ) 適配器把噪聲源直接連接到 PNA-X 的測試端口 2 上
，在噪聲表征完成之後進行第二步操作，在適配器平麵上進行 1 端口校準，這樣就建立了一個噪聲校準的基準麵。第三步是把 PNA-X 的端口 2 和晶圓探頭用電纜連接起來，讓陰頭-陰頭適配器保持在原位。在完成了晶圓上雙端口校準之後
，使用嵌入算法 (在後麵會提到) 就可以用數學方法把噪聲校準基準麵延伸到雙端口校準平麵上。這種校準方法可以把噪聲源和測試端口 2 之間的損耗降至最低，因此可以獲得 PNA-X 內部低噪聲接收機的最佳校準結果。

 

41. 晶圓上噪聲校準。實例 1: 直接把噪聲源連接到 PNA-X 的前麵板上

 

在圖 42 的實例中，噪聲源連接在用於把晶圓探頭和分析儀相連接的電纜的一端，而不是直接與分析儀的測試端口 2 相連。這種連接方法對於在測量當中擺放 PNA-X 的位置來說是很方便的，特別是在進行晶圓上測量時
，PNA-X 通常安裝在測試機架裏，放在晶圓探頭台的後麵，這讓用戶很難接觸到 PNA-X。在這種連接方式中，仍然需要使用一個陰頭-陰頭適配器把噪聲源與測試係統進行連接
，並且在完成了噪聲參數表征之後，對陰頭-陰yin頭tou適shi配pei器qi進jin行xing單dan端duan口kou校xiao準zhun，這zhe樣yang就jiu能neng建jian立li一yi個ge噪zao聲sheng校xiao準zhun基ji準zhun麵mian。與yu前qian麵mian實shi例li中zhong介jie紹shao的de適shi配pei器qi在zai完wan成cheng單dan端duan口kou校xiao準zhun後hou保bao留liu在zai原yuan位wei不bu同tong，此ci時shi必bi須xu要yao把ba適shi配pei器qi移yi除chu才cai能neng把ba電dian纜lan與yu晶jing圓yuan探tan頭tou相xiang連lian接jie。然ran而er，即ji便bian是shi已yi經jing移yi除chu了le這zhe個ge陰yin頭tou-陰頭適配器，嵌入算法仍然能夠把噪聲校準基準麵延伸到雙端口校準基準麵上。

 

圖 42. 晶圓上噪聲校準。實例 2: 把噪聲源連接到同軸測試電纜的一端

 

噪聲校準平麵的推移

 

為了更好地理解前麵兩個校準方法實例，特別是為什麼在移除陰頭-陰yin頭tou適shi配pei器qi的de情qing況kuang下xia還hai能neng夠gou把ba噪zao聲sheng校xiao準zhun平ping麵mian延yan伸shen到dao晶jing圓yuan探tan頭tou端duan上shang
，我wo們men在zai這zhe裏li探tan討tao一yi下xia如ru何he把ba校xiao準zhun平ping麵mian從cong一yi個ge平ping麵mian移yi到dao另ling一yi個ge平ping麵mian。以yi圖tu 43 為例
，Cal 1 是在使用陰頭-陰頭適配器 ([TA]) 的條件下進行的，Cal 2 是在使用晶圓探頭 ([TB]) 的條件下進行的。對 Cal 2 來說，晶圓探頭也是另一種形式的適配器。注意，無論是哪種情況，測試電纜和 VNA 的特征 [Tsys] 都是一致的，它是測試端口電纜和 VNA 的 T 參數組合。我們在這裏使用從 S 參數推導出的 T 參數，因為在計算級聯網絡時能夠非常簡單。例如，兩個級聯 T 參數網絡可以很容易地相乘。

 

為了從校準平麵 1 (Cal 1) 推移到校準平麵 2 (Cal 2)，我們需要計算一個虛擬適配器的 T 參數
，記為 [T∆]。這個虛擬適配器可以表示為:

 

圖 43. 在適配器之間移動校準平麵

 

在實際測量中要考慮的因素

 

環境溫度設置

 

當設置噪聲係數測量時，需要知道測試係統的環境溫度以便計算出正確的輸入噪聲功率。在 "噪聲係數設置" 對話框 (圖 26) 中輸入的溫度值應表示所有從校準平麵到 PNA-X 方向上的元器件的平均溫度，包括在儀器測試端口後麵的元器件的溫度。一個測試開始時非常適用的值就是環境溫度，通常是 298 K
，也可以使用一個精密溫度計來測量這個溫度。雖然電子校準件的內部溫度被加熱到 304 K，danshidianzixiaozhunjianhebeiceqijianzhijiandesunhaoyibanhuidixiaoqijianwenduchaoguohuanjingwendusuodailaideyingxiang。yiqigongzuoshiyekenenghuichanshengyixiejiaredexiaoguo，yinci 299 K 或 300 K 是比較準確的估計值。注意，把溫度設為 298 K 和設為 300 K 的區別大概隻有 0.7%，這相當於在噪聲係數測量結果中隻有 0.03 dB 的差異。

 

在zai使shi用yong噪zao聲sheng源yuan進jin行xing校xiao準zhun的de過guo程cheng中zhong，在zai校xiao準zhun向xiang導dao界jie麵mian上shang有you一yi個ge輸shu入ru對dui話hua框kuang，您nin可ke以yi在zai這zhe裏li指zhi定ding噪zao聲sheng源yuan的de實shi際ji溫wen度du。由you於yu噪zao聲sheng源yuan始shi終zhong是shi在zai加jia電dian的de狀zhuang態tai下xia與yu PNA-X 連接，因此它的溫度通常要比環境溫度高出幾 K。

 

噪聲平均

 

當使用 PNA-X 測量噪聲係數時，噪聲平均是一個重要的測量條件。當在測量過程中不使用噪聲平均時 (等同於把求平均值操作次數設為 1)，為了估算噪聲接收機能夠測量到的平均噪聲功率，在每一次噪聲功率測量中
，儀器內部仍然有很多的模數轉換 (ADC) 樣本。ADC 樣本的數量是任意的
，PNA-X 在用低噪聲接收機時大約會使用 1 萬個樣本。當啟用噪聲平均功能時
，儀器需要處理的數據就是用平均值乘以 ADC 采(cai)樣(yang)數(shu)，這(zhe)樣(yang)通(tong)過(guo)降(jiang)低(di)在(zai)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)軌(gui)跡(ji)上(shang)的(de)抖(dou)動(dong)來(lai)給(gei)出(chu)更(geng)好(hao)的(de)平(ping)均(jun)噪(zao)聲(sheng)功(gong)率(lv)估(gu)算(suan)值(zhi)
，但(dan)是(shi)代(dai)價(jia)是(shi)犧(xi)牲(sheng)一(yi)定(ding)的(de)測(ce)量(liang)速(su)度(du)。在(zai)校(xiao)準(zhun)期(qi)間(jian)我(wo)們(men)極(ji)為(wei)推(tui)薦(jian)使(shi)用(yong)噪(zao)聲(sheng)平(ping)均(jun)功(gong)能(neng)：使用低噪聲接收機時把求平均值操作次數設為 10 至 20 次

，使用標準接收機時把操作次數設為 50 至 100 次ci，這zhe樣yang可ke以yi得de到dao非fei常chang純chun淨jing的de校xiao準zhun結jie果guo。在zai對dui被bei測ce器qi件jian進jin行xing測ce量liang時shi，可ke以yi把ba噪zao聲sheng平ping均jun操cao作zuo的de次ci數shu值zhi設she置zhi得de略lve低di一yi些xie
，以yi便bian在zai測ce量liang速su度du和he精jing度du之zhi間jian取qu得de平ping衡heng。通tong常chang被bei測ce器qi件jian的de增zeng益yi越yue高gao，在zai測ce量liang時shi需xu要yao做zuo噪zao聲sheng平ping均jun操cao作zuo的de必bi要yao性xing就jiu越yue低di。但dan是shi如ru果guo在zai校xiao準zhun過guo程cheng中zhong不bu啟qi用yong噪zao聲sheng平ping均jun功gong能neng
，那na麼me即ji便bian是shi稍shao後hou啟qi用yong這zhe項xiang功gong能neng
，也ye無wu法fa再zai去qu除chu校xiao準zhun期qi間jian存cun在zai的de噪zao聲sheng。

 

當用標準接收機測量噪聲係數時，隻有兩個噪聲帶寬可供選擇－720 kHz 和 1.2 MHz，這與使用低噪聲接受機進行測量不一樣，後者有 5 種設置可供選擇
，頻率覆蓋從 0.8 到 24 MHz 的範圍。噪聲帶寬越小
，意味著測量結果中會有越多的抖動，這就需要更多的噪聲平均操作。

 

測量一個直通件的噪聲係數

 

圖 44 顯示了使用低噪聲接收機對一個 PNA-X 直通件的噪聲係數進行測量
，在默認噪聲帶寬為 4 MHz 的情況下分別用 4 zhongbutongdezaoshengpingjuncaozuocishuzhisuodedaodejieguobijiao。yonglengyuanfajinxingzhezhongceliangshifeichangkunnande

，yinweibeiceqijianshigezhitongjian
，tabunengchanshengzengyiyebunengchanshengguoduodezaosheng，zheyangjiubunenggeizaoshengjieshoujishuruyigechaozaosheng，zheyeyiweizhedierjizaoshengxiaozhengsuanfashiyongxiangtongdepingjungonglvjianqulianggezaoshengbijiaodadexinhao。dang PNA-X 不啟用噪聲平均功能時
，噪聲係數測量的速度非常快，測得的平均值也是預期的 0 dB，但抖動 (軌跡噪聲) 是相當高的。把噪聲平均操作的次數增加到 10 次就會使抖動明顯地降低，測量精度也相應有很大的改善。如果把平均的次數提高到 20 次，效果甚至更明顯。相比之下，進行 40 次平均所取得的改善就不是特別明顯了。因此使用低噪聲接收機進行測量時，取 10 到 20 次的平均操作可以實現測量速度和精度之間的良好平衡，特別是在噪聲係數校準的過程中，這種程度的平均操作是非常必要的 (當使用標準接收機時，取平均的次數要增加到 50 到 100 次)。需要注意的是，如果用同樣的平均次數測量有增益的器件的噪聲係數，所得到的結果中的抖動會比測量直通件時的抖動小得多。

 

圖 44. 測量一個直通件的噪聲係數, 用不同的噪聲平均次數值

 

圖 45 是分別用 NFA (Y 因子法) 和 PNA-X (使用冷源法和低噪聲接收機) 對同一個直通件進行噪聲係數測量


，在測量時間大概相等的情況下對測量結果進行了比較。PNA-X 的 20 次噪聲平均可以得到近似於 NFA 的積分時間。從測量結果中可以看到，兩種測量結果的抖動是大致相同的。但是 PNA-X 的平均值要比 NFA 更接近預期的值 0 dB，這是因為 PNA-X 能夠更精確地測量被測器件的增益 (在本例中被測器件的增益為 0 dB)。

 

圖 45. 使用 PNA-X 的低噪聲接收機和 NFA 分別測量直通件的噪聲係數

 

測量一個放大器的噪聲係數

 

圖 46 顯示了使用低噪聲接收機對一個增益在 15 至 20 dB 的放大器進行三次噪聲係數測量，分別用不同的噪聲平均次數。請注意在這個實例中，儀器的刻度是每格 0.2 dB，而在上一個測量直通件的實例中
，儀器的刻度是每格 2 dB。當取 10 到 20 次平均時，測量結果中的抖動是極小的。

 

圖 46. 使用低噪聲接收機並用不同的噪聲平均次數來測量一個放大器的噪聲係數

 

測量低增益或大損耗器件

 

PNA-X 網絡分析儀測量低噪聲係數和低增益器件的能力非常強。為說明這一點，圖 47 顯示了對一個沒有增益和超噪聲的器件 (40 dB 衰減器) 進行噪聲係數測量。如果用 Y 因(yin)子(zi)法(fa)測(ce)量(liang)這(zhe)個(ge)器(qi)件(jian)的(de)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)將(jiang)是(shi)非(fei)常(chang)困(kun)難(nan)的(de)
，因(yin)為(wei)噪(zao)聲(sheng)源(yuan)在(zai)冷(leng)熱(re)狀(zhuang)態(tai)下(xia)的(de)差(cha)異(yi)會(hui)被(bei)衰(shuai)減(jian)器(qi)衰(shuai)減(jian)為(wei)一(yi)個(ge)極(ji)小(xiao)的(de)值(zhi)。這(zhe)個(ge)例(li)子(zi)隻(zhi)是(shi)為(wei)了(le)證(zheng)明(ming)冷(leng)源(yuan)法(fa)的(de)有(you)效(xiao)性(xing)，在(zai)實(shi)際(ji)工(gong)作(zuo)中(zhong)不(bu)需(xu)要(yao)測(ce)量(liang)衰(shuai)減(jian)器(qi)的(de)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)
，因(yin)為(wei)衰(shuai)減(jian)器(qi)的(de)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)始(shi)終(zhong)等(deng)於(yu)它(ta)的(de)損(sun)耗(hao)值(zhi)。注(zhu)意(yi)，下(xia)圖(tu)中(zhong)對(dui)數(shu)格(ge)式(shi)的(de)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)是(shi) S21 的鏡像，這表明測量結果是正確的，因為衰減器的噪聲係數始終為正值且 S21 的對數幅度總是負值。S21 和he噪zao聲sheng係xi數shu測ce量liang結jie果guo之zhi間jian的de基ji準zhun電dian平ping是shi彼bi此ci的de負fu數shu值zhi，這zhe樣yang我wo們men就jiu可ke以yi把ba兩liang條tiao測ce量liang軌gui跡ji放fang在zai一yi起qi進jin行xing比bi較jiao。同tong時shi，為wei了le使shi抖dou動dong達da到dao一yi個ge可ke以yi接jie受shou的de水shui平ping，在zai測ce量liang時shi做zuo了le 50 次噪聲平均。

 

圖 47. 40 dB 衰減器的噪聲係數測量

 

優化 S 參數功率電平

 

因為噪聲係數測量通常是針對高增益放大器或變頻器
，所以在噪聲係數測量的過程中，進行 S canshuhuobianpinzengyiceliangshideduankougonglvdoubijiaodi。keyizuoliangjianshiqinglaigaishanshoudaoduankougonglvyingxiangdeceliangjingdu。diyigeshiduankaiduankouzhijiangonglvdeouheguanxi，ba PNA-X網絡分析儀和被測器件輸出端口相連接的那個端口上的功率設置得高一些
，這是因為精確地測量被測器件的 S22 對第二級噪聲校正是有必要的
，因此需要把端口的功率電平設置得高一些，以確保進行反射測量時得到良好的 SNR。對dui大da部bu分fen器qi件jian來lai說shuo
，即ji便bian是shi輸shu入ru功gong率lv必bi須xu很hen低di時shi，反fan向xiang功gong率lv仍reng然ran可ke以yi設she置zhi得de相xiang當dang高gao而er不bu會hui導dao致zhi任ren何he損sun壞huai。通tong常chang，在zai測ce量liang噪zao聲sheng係xi數shu而er對dui被bei測ce器qi件jian進jin行xing正zheng向xiang驅qu動dong時shi
，反fan向xiang端duan口kou的de功gong率lv設she置zhi成cheng比bi被bei測ce器qi件jian的de輸shu出chu功gong率lv小xiao 5 dB。

 

第二個是在校準過程中提高端口 1 的功率
，然後對被測器件進行測量時再把這個功率降低。這意味著要把端口 1 的(de)源(yuan)衰(shuai)減(jian)器(qi)設(she)置(zhi)得(de)盡(jin)可(ke)能(neng)小(xiao)

，但(dan)同(tong)時(shi)還(hai)要(yao)保(bao)證(zheng)端(duan)口(kou)功(gong)率(lv)可(ke)以(yi)下(xia)降(jiang)到(dao)測(ce)量(liang)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)水(shui)平(ping)。使(shi)用(yong)比(bi)較(jiao)小(xiao)的(de)衰(shuai)減(jian)值(zhi)意(yi)味(wei)著(zhe)在(zai)校(xiao)準(zhun)過(guo)程(cheng)中(zhong)可(ke)以(yi)把(ba)端(duan)口(kou)功(gong)率(lv)設(she)置(zhi)得(de)更(geng)高(gao)，給(gei)出(chu)更(geng)好(hao)的(de) SNR 從而減少軌跡噪聲。

 

在zai使shi用yong標biao準zhun接jie收shou機ji和he外wai接jie前qian置zhi放fang大da器qi測ce量liang噪zao聲sheng係xi數shu時shi，設she置zhi測ce量liang和he校xiao準zhun時shi的de功gong率lv電dian平ping必bi須xu把ba前qian置zhi放fang大da器qi增zeng益yi考kao慮lv在zai內nei
，以yi避bi免mian測ce量liang接jie收shou機ji被bei壓ya縮suo。如ru果guo把ba測ce試shi端duan口kou上shang的de耦ou合he器qi反fan接jie
，那na麼me與yu常chang規gui配pei置zhi相xiang比bi，發fa送song給gei接jie收shou機ji的de功gong率lv至zhi少shao要yao高gao 15 dB
，在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia必bi須xu要yao謹jin慎shen地di避bi免mian接jie收shou機ji壓ya縮suo。通tong常chang情qing況kuang下xia
，為wei了le避bi免mian標biao準zhun接jie收shou機ji產chan生sheng壓ya縮suo
，測ce試shi端duan口kou在zai采cai用yong常chang規gui跳tiao線xian配pei置zhi時shi的de功gong率lv應ying設she置zhi在zai +10 dBm 以下，而在端口耦合器反向接時，功率應設置在 -5 dBm 以下。

 

在校準時優化功率傳感器的功率電平

 

當測量一個變頻器的噪聲係數或用標準接收機測量噪聲係數時，在校準過程中需要使用功率傳感器對 PNA-X網絡分析儀 接收機進行校準。圖 48 顯示了在校準過程中可以單獨設置所用到的功率電平
，與 S 參數校準和測量時的通道功率無關。為了獲得最高的測量精度
，功率傳感器的功率電平應當與進行校準時的功率電平一致－通常是 0 dBm
，這樣會把功率傳感器的線性度誤差從總體測量不確定性中去除。PNA-X 接(jie)收(shou)機(ji)的(de)線(xian)性(xing)度(du)要(yao)比(bi)功(gong)率(lv)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)還(hai)要(yao)明(ming)顯(xian)，因(yin)此(ci)接(jie)收(shou)機(ji)可(ke)以(yi)在(zai)較(jiao)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)上(shang)進(jin)行(xing)校(xiao)準(zhun)，即(ji)便(bian)是(shi)用(yong)較(jiao)低(di)的(de)功(gong)率(lv)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)也(ye)能(neng)夠(gou)保(bao)證(zheng)極(ji)高(gao)的(de)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)。根(gen)據(ju)源(yuan)衰(shuai)減(jian)的(de)值(zhi)以(yi)及(ji)測(ce)量(liang)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)的(de)不(bu)同(tong)，在(zai)校(xiao)準(zhun)過(guo)程(cheng)中(zhong)可(ke)能(neng)難(nan)以(yi)達(da)到(dao) 0 dBm。在這種情況下

，隻要保證不要讓激勵源到了無法進行自動電平控製的地步
，應該把功率設置得盡可能地高。

 

當測量增益特別大的器件而需要把源衰減的值設置得很大時 (或者是為了把測量功率設置得足夠低來避免被測器件被壓縮)，zuidakeyonggonglvkenengdiyugonglvchuanganqideceliangfanwei，zhehuidaozhigonglvxiaozhunshibai。zaizhezhongqingkuangxia，keyibayuanshuaijianqidezhishezhidexiaoyidian
，zheyangzaixiaozhunshijiuhuiyougengdadegonglv，erzaiceliangzaoshengxishushikeyibayigewaibushuaijianqijiedaobeiceqijiandeshuruduan。zhegeshuaijianqiduizaoshengxishuceliangjieguodeyingxiangkeyitongguobatade S 參數進行去嵌入而消除，S 參數必須在測量之前單獨地測量。

 

圖 48. 當使用功率計進行校準時, 功率電平可以獨立於通道功率進行優化

 

壓縮和損壞電平

 

就像 S 參數測量一樣


，在測量噪聲係數時確保噪聲接收機不被壓縮也是很重要的。在使用 PNA-X網絡分析儀 的de低di噪zao聲sheng接jie收shou機ji時shi更geng要yao注zhu意yi這zhe一yi點dian，因yin為wei低di噪zao聲sheng接jie收shou機ji的de增zeng益yi要yao比bi標biao準zhun接jie收shou機ji的de增zeng益yi高gao得de多duo。在zai考kao慮lv噪zao聲sheng測ce量liang中zhong的de壓ya縮suo時shi，必bi須xu要yao把ba被bei測ce器qi件jian的de增zeng益yi和he帶dai寬kuan兩liang個ge因yin素su都dou考kao慮lv進jin去qu。當dang被bei測ce器qi件jian的de增zeng益yi或huo帶dai寬kuan提ti高gao時shi
，輸shu出chu的de噪zao聲sheng功gong率lv也ye跟gen著zhe提ti高gao。當dang用yong低di噪zao聲sheng接jie收shou機ji測ce量liang寬kuan帶dai器qi件jian時shi，前qian端duan放fang大da器qi最zui有you可ke能neng先xian產chan生sheng壓ya縮suo；當測量窄帶器件時，接收機後端的模數轉換器 (ADC) 很可能在前端產生壓縮之前就已經超過了其工作範圍。 PNA-X網絡分析儀 的低噪聲接收機在前端有幾個用來檢測壓縮的二極管檢波器。如果儀器的前端產生過載或者 ADC 超出了工作範圍
，儀器固化軟件就會產生一個告警信息。如果告警信息在測量過程中隻是閃現了一下，這可能是由幹擾造成的 (參見下一節內容)，如(ru)果(guo)告(gao)警(jing)信(xin)息(xi)一(yi)直(zhi)存(cun)在(zai)，那(na)麼(me)噪(zao)聲(sheng)接(jie)收(shou)機(ji)或(huo)被(bei)測(ce)器(qi)件(jian)的(de)增(zeng)益(yi)就(jiu)必(bi)須(xu)降(jiang)低(di)。注(zhu)意(yi)，在(zai)校(xiao)準(zhun)之(zhi)後(hou)改(gai)變(bian)接(jie)收(shou)機(ji)的(de)增(zeng)益(yi)值(zhi)不(bu)會(hui)使(shi)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)無(wu)效(xiao)
，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)在(zai)校(xiao)準(zhun)過(guo)程(cheng)中(zhong)接(jie)收(shou)機(ji)的(de)全(quan)部(bu)三(san)個(ge)增(zeng)益(yi)設(she)置(zhi)都(dou)已(yi)經(jing)過(guo)了(le)測(ce)量(liang)。如(ru)果(guo)接(jie)收(shou)機(ji)的(de)增(zeng)益(yi)設(she)置(zhi)已(yi)經(jing)很(hen)小(xiao)了(le)
，那(na)麼(me)可(ke)以(yi)有(you)兩(liang)種(zhong)選(xuan)擇(ze)來(lai)解(jie)決(jue)問(wen)題(ti)：在被測器件的輸出端口連接一個衰減器 (這不會影響被測器件的噪聲係數測量) 或者改用標準接收機進行測量。如果使用了衰減器，它的影響可以用去嵌入的方法去除掉，這樣測得的被測器件 S21 就jiu是shi正zheng確que的de。使shi用yong標biao準zhun接jie收shou機ji時shi，由you於yu它ta沒mei有you前qian端duan放fang大da器qi
，因yin此ci噪zao聲sheng所suo產chan生sheng的de壓ya縮suo不bu會hui引yin起qi問wen題ti。然ran而er

，如ru果guo把ba測ce試shi端duan口kou上shang的de耦ou合he器qi反fan接jie，那na麼me與yu標biao準zhun配pei置zhi相xiang比bi
，發fa送song給gei接jie收shou機ji的de功gong率lv至zhi少shao提ti高gao 15 dB，因此在進行 S 參數測量時仍然要謹慎地避免接收機壓縮。

 

在zai測ce量liang混hun頻pin器qi或huo變bian頻pin器qi時shi
，被bei測ce器qi件jian的de輸shu出chu端duan口kou需xu要yao進jin行xing額e外wai的de過guo濾lv

，以yi消xiao除chu本ben振zhen饋kui通tong或huo其qi他ta雜za散san信xin號hao的de影ying響xiang，否fou則ze也ye有you可ke能neng造zao成cheng壓ya縮suo現xian象xiang。

 

zaoshengxishubuquedingxingjisuanqishijianzhayasuoxianxiangdeyigeshiyonggongju。tacongzaoshengxishudeceliangjieguozhongduqushuju，bingqiexianshicededezaoshenggonglvjulijieshoujidebendizaoshengyouduoyuanyijichanshengyasuodeliang，rutu 49 所示。

 

圖 49. Keysight PNA-X 噪聲係數不確定度計算器顯示了被測器件的噪聲功率是否導致噪聲接收機產生壓縮

 

當使用低噪聲接收機時
，PNA-X網絡分析儀 的端口 2 的損壞電平會從 +30 dBm 下降到 +25 dBm。這種損壞電平的降低是由噪聲接收機內部的 LNA 造成的
，它比標準接收機中的混頻器對測量信號更敏感。

 

幹擾

 

當測量沒有屏蔽的被測器件的噪聲係數時
，例如印刷電路板上的放大器，來自蜂窩電話/ 移動手機、無線局域網路由器或客戶端
、其他無線電信號的電磁幹擾經常會影響到被測器件的測量結果。這些幹擾表現出來的特征是測量結果中出現非重複性的尖峰值
，如圖 50 所suo示shi。通tong常chang這zhe種zhong幹gan擾rao隻zhi會hui對dui同tong一yi個ge頻pin率lv上shang的de噪zao聲sheng測ce量liang結jie果guo帶dai來lai不bu利li影ying響xiang。然ran而er，如ru果guo幹gan擾rao過guo大da並bing且qie一yi直zhi出chu現xian，它ta會hui導dao致zhi噪zao聲sheng接jie收shou機ji產chan生sheng壓ya縮suo現xian象xiang，從cong而er會hui使shi測ce量liang結jie果guo不bu準zhun確que。如ru果guo出chu現xian這zhe種zhong情qing況kuang，解jie決jue辦ban法fa之zhi一yi是shi盡jin可ke能neng地di把baPNA-X網絡分析儀 內部接收機的增益降低。當然最好的方法還是在一個屏蔽比較好的環境內 (例如在屏蔽室中) 測量噪聲係數。

 

圖 50. 電磁幹擾對噪聲係數測量的影響通常表現為測量軌跡上出現大的尖峰

 

 

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