噪聲系數(shù)測試之增益法

噪聲系數(shù)測試之增益法本文是噪聲系數(shù)系列文章第二篇，主要介紹增益法測試噪聲系數(shù)。在之前發(fā)表的“淺談噪聲系數(shù)”文章中，詳細(xì)介紹了噪聲來源及噪聲系數(shù)的定義和理論公式推導(dǎo)，后面將陸續(xù)給大家介紹噪聲系數(shù)的相關(guān)測試方法。提到增益法測試噪聲系數(shù)，大家并不陌生，這是一種簡潔的測試方法，精度不如Y因子法，但是在某些測試場合，比如只有頻譜儀而沒有噪聲頭時，且待測件具有非常高的增益時，就可以使用增益法測試噪聲系數(shù)。增益法測試噪聲系數(shù)的連接示意圖如圖1所示，其思路為：DUT輸入端端接50Ohm負(fù)載，在頻譜儀上測得的噪聲功率被認(rèn)為是DUT本身輸出的功率，然后根據(jù)DUT的增益計算出其噪聲系數(shù)。這種方法并沒有從測試結(jié)果中消除頻譜儀本身的噪聲帶來的影響，所以精度有限。圖1、增益法測試噪聲系數(shù)示意圖下面分別從兩個角度去分析增益法測試噪聲系數(shù)：(1)T0(290K)溫度下測試；(2)非T0溫度下測試。增益法要求DUT的增益是已知的，假設(shè)DUT的增益為G，其噪聲因子為F，對應(yīng)的噪聲系數(shù)為NF。在T0溫度下，DUT輸出的噪聲功率為N0=kBT0*G*F，使用對數(shù)表示則為N0(dBm)=-174dBm/Hz+10lg(B)+G(dB)+NF值得一提的是，雖然DUT的帶寬很大，但是真正被頻譜儀測量的噪聲功率只有RBW帶寬內(nèi)的噪聲功率，所以上式可以改寫為N0(dBm)=-174dBm/Hz+10lg(RBW)+G(dB)+NF對上式進(jìn)一步調(diào)整為N0(dBm)-10lg(RBW)=-174dBm/Hz+G(dB)+NF“=”左邊的式子即為頻譜儀上測得的噪聲功率譜密度，這個參數(shù)頻譜儀可以直接測出。DUT的增益已知，即可計算出其噪聲系數(shù)NF。如何使用頻譜儀準(zhǔn)確測試噪聲功率譜密度？首先要將頻譜儀的顯示檢波器由默認(rèn)的AutoPeak(AP)檢波器設(shè)置為RMS檢波器；然后將頻譜儀的掃描時間sweeptime設(shè)置得大一些，比如5ms，這可以平滑測試結(jié)果，提高測試精度；最后直接調(diào)出功率譜密度測試結(jié)果。如果頻譜儀配置了內(nèi)置預(yù)放大器，為了提高NF測試精度，需要打開預(yù)放大器，以進(jìn)一步降低頻譜儀的底噪。如果測試時室溫不是T0，則上面的公式推導(dǎo)就不適用了。此時，DUT輸出的總噪聲功率為N0=kBTin*G+kBT*G式中Tin為當(dāng)前室溫，這是已知的，T為DUT的等效噪聲溫度。簡便起見，分別引入α和β兩個系數(shù)，使之滿足如下關(guān)系Tin=α*T0，

T=β*T0則可以得到N0=kB*α*T0*G+kB*β*T0*G=kBT0*G*(α+β)類似地，真正被頻譜儀測量的噪聲功率只有RBW帶寬內(nèi)的噪聲功率，使用對數(shù)表示時，上式可以寫為N0(dBm)=-174dBm/Hz+10lg(RBW)+G(dB)+10lg(α+β)進(jìn)一步改寫為N0(dBm)-10lg(RBW)=-174dBm/Hz+G(dB)+10lg(α+β)那么頻譜儀測得噪聲功率譜密度之后，G和α又已知，因此可以求出系數(shù)β，繼而求出DUT的等效噪聲溫度T，對應(yīng)的噪聲系數(shù)為NF=10lg(1+T/T0)以上詳細(xì)介紹了增益法測試噪聲系數(shù)的理論推導(dǎo)，下面著重分析增益法一般適用于哪些場合。為方便起見，下面的討論都默認(rèn)為是在T0室溫下進(jìn)行測試的。假設(shè)頻譜儀的噪聲因子為FSA，等效噪聲溫度為TSA，增益為GSA，則頻譜儀測得的總噪聲功率為Ntotal=kBT0*G*F+kBTSA*GSA因頻譜儀校準(zhǔn)后增益為1，即GSA=1，則上式簡化為Ntotal=kBT0*G*F+kBTSA只有當(dāng)kBTSA<<kBT0*G*F時，增益法測得的噪聲系數(shù)才更加接近于DUT的真實(shí)噪聲系數(shù)，頻譜儀帶來的影響才可以忽略。定性地講，為了滿足上述條件，頻譜儀需要配置前置預(yù)放大器，以降低自身的噪聲系數(shù)。同時，要求DUT的增益盡量高，且其噪聲系數(shù)不能太小。此時，使用增益法測試噪聲系數(shù)才具有比較高的準(zhǔn)確性。下面簡單地定量分析，當(dāng)DUT的增益G、噪聲因子F與頻譜儀的噪聲因子FSA滿足什么關(guān)系時，才可以忽略頻譜儀帶來的影響。因噪聲因子與等效噪聲溫度滿足關(guān)系T=(F-1)*T0，因此kBTSA<<kBT0*G*F可以改寫為FSA–1<<G*F(FSA–1)/GF<<1根據(jù)級聯(lián)理論，DUT與頻譜儀級聯(lián)之后的噪聲因子Ftotal為Ftotal=F+(FSA-1)/G兩邊同除以F可得Ftotal/F=1+(FSA-1)/GF從該式也可以看出，當(dāng)(FSA-1)/GF<<1時，增益法測得的噪聲系數(shù)基本就是DUT真實(shí)的噪聲系數(shù)。采用對數(shù)形式表達(dá)上式則為NFtotal–NF=10lg[1+(FSA-1)/GF]令?NF=10lg[1+(FSA-1)/GF]，則DUT的噪聲系數(shù)為NF=NFtotal-?NF分別令(FSA–1)/GF等于0.1、0.05、0.01，觀察頻譜儀自身的噪聲系數(shù)對測試精度的影響。表1給出了這三個因子對應(yīng)的?NF——增益法對應(yīng)的理論上的噪聲系數(shù)測試誤差。表1、不同因子下對應(yīng)的?NF(FSA–1)/GF0.10.050.01Ftotal/F1.11.051.01?NF(dB)0.4140.2120.043由上述表格可以看出，當(dāng)比值(FSA-1)/GF越小時，理論的測試誤差也越小，這意味著采用增益法測試時，頻譜儀的影響越來越小。作為經(jīng)驗(yàn)值，一般建議DUT的增益、噪聲因子和頻譜儀的噪聲因子滿足如下關(guān)系時，才能使用增益法測試噪聲系數(shù)。(FSA-1)/GF≤0.05舉例：測試一款LNA的噪聲系數(shù)，增益為30dB(線性值為1000)，噪聲系數(shù)約為1.5dB(線性值為1.413)，頻譜儀的噪聲系數(shù)為10dB(線性值為10)，則(FSA-1)/GF=(10-1)/(1000*1.413)≈0.006滿足推薦的判決準(zhǔn)則，可以使用增益法測試噪聲系數(shù)。對應(yīng)的?NF≈0.028dB，已經(jīng)相當(dāng)小了，可以忽略不計。寫到這里，關(guān)于增益法測試噪聲系數(shù)就告一段落了?；谝陨嫌懻?，下面對增益法作一些簡單的總結(jié)。(1)

增益法需要頻譜儀而不需要噪聲頭，因此無法測試DUT的增益，需要DUT增益已知。

(2)

增益法忽略了頻譜儀自身的噪聲系數(shù)，測試結(jié)果是DUT與頻譜儀的級聯(lián)噪聲系數(shù)。為了提高測試精度，建議測試增益相對較高的DUT時再使用增益法。

(3)

如果頻譜儀配置了預(yù)放大器，使用增益法測試時，要根據(jù)DUT的增益大小來決定是否需要打開預(yù)放大器。并不是打開預(yù)