測量射頻器件噪聲系數(shù)的三種方法

　　使用噪聲系數(shù)測試儀是測量噪聲系數(shù)的最直接方法。在大多數(shù)情況下也是最準(zhǔn)確地。工程師可在特定的頻率范圍內(nèi)測量噪聲系數(shù)，分析儀能夠同時(shí)顯示增益和噪聲系數(shù)幫助測量。分析儀具有頻率限制。例如，AgilentN8?73A可工作頻率為10MHz至3GHz。當(dāng)測量很高的噪聲系數(shù)時(shí)，例如噪聲系數(shù)超過10dB，測量結(jié)果非常不準(zhǔn)確。這種方法需要非常昂貴的設(shè)備。

　　增益法

　　前面提到，除了直接使用噪聲系數(shù)測試儀外還可以采用其他方法測量噪聲系數(shù)。這些方法需要更多測量和計(jì)算，但是在某種條件下，這些方法更加方便和準(zhǔn)確。其中一個(gè)常用的方法叫做“增益法”，它是基于前面給出的噪聲因數(shù)的定義：

　　在這個(gè)定義中，噪聲由兩個(gè)因素產(chǎn)生。一個(gè)是到達(dá)射頻系統(tǒng)輸入的干擾，與需要的有用信號(hào)不同。第二個(gè)是由于射頻系統(tǒng)載波的隨機(jī)擾動(dòng)(LNA，混頻器和接收機(jī)等)。第二種情況是布朗運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，應(yīng)用于任何電子器件中的熱平衡，器件的可利用的噪聲功率為：

　　PNA=kTΔF

　　這里的k等于波爾茲曼常量(1.38*10-23焦耳/ΔK)，T為溫度，單位為開爾文，ΔF=噪聲帶寬(Hz)。在室溫(290ΔK)時(shí)，噪聲功率譜密度PNAD-174dBm/Hz.因而我們有以下的公式：

　　NF=PNOUT-(-174dBm/Hz+20*log10(BW)+Gain)

　　在公式中，PPNOUT是已測的總共輸出噪聲功率，-174dBm/Hz是290°K時(shí)環(huán)境噪聲的功率譜密度。BW 是感興趣的頻率帶寬。Gain是系統(tǒng)的增益。NF是DUT的噪聲系數(shù)。公式中的每個(gè)變量均為對(duì)數(shù)。為簡化公式，我們可以直接測量輸出噪聲功率譜密度 (dBm/Hz)，這時(shí)公式變?yōu)椋?/p>

　　NF=PNOUTD+174dBm/Hz-Gain

　　為了使用增益法測量噪聲系數(shù)，DUT的增益需要預(yù)先確定的。DUT的輸入需要端接特性阻抗(射頻應(yīng)用為50Ω，視頻/電纜應(yīng)用為75Ω)。輸出噪聲功率譜密度可使用頻譜分析儀測量。

　　增益法測量的裝置見圖2。

　　圖2。

　　作為一個(gè)例子，我們測量MAX2700噪聲系數(shù)的。在指定的LNA增益設(shè)置和VPAGC下測量得到的增益為80dB。接著，如上圖裝置儀器，射頻輸入用50Ω負(fù)載端接。在頻譜儀上讀出輸出噪聲功率譜密度為-90dBm/Hz。為獲得穩(wěn)定和準(zhǔn)確的噪聲密度讀數(shù)，選擇最優(yōu)的解析帶寬(RBW)與視頻帶寬(VBW)為RBW/VBW=0.3。計(jì)算得到的NF為：

　　-90dBm/Hz+174dBm/Hz-80dB=4.0dB

　　只要頻譜分析儀允許，增益法可適用于任何頻率范圍內(nèi)。最大的限制來自于頻譜分析儀的噪聲基底。在公式中可以看到，當(dāng)噪聲系數(shù)較低(小于10dB)時(shí)，(PNOUTD-Gain) 接近于-170dBm/Hz，通常LNA的增益約為20dB。這樣我們需要測量-150dBm/Hz的噪聲功率譜密度，這個(gè)值低于大多數(shù)頻譜儀的噪聲基底。在我們的例子中，系統(tǒng)增益非常高，因而大多數(shù)頻譜儀均可準(zhǔn)確測量噪聲系數(shù)。類似地，如果DUT的噪聲系數(shù)非常高(比如高于30dB)，這個(gè)方法也非常準(zhǔn)確。