噪聲系數(shù)測量的三種方法

定義
噪聲系數(shù)(噪聲因數(shù))包含了射頻系統(tǒng)噪聲性能的重要信息，標準的定義為：

從這個定義可以推導出很多常用的噪聲系數(shù)（噪聲因數(shù)）公式。

下表為典型的射頻系統(tǒng)噪聲系數(shù)：

噪聲系數(shù)的測量方法隨應用的不同而不同。從上表可看出，一些應用具有高增益和低噪聲系數(shù)(低噪聲放大器(LNA)在高增益模式下)，一些則具有低增益和高噪聲系數(shù)(混頻器和LNA在低增益模式下)，一些則具有非常高的增益和寬范圍的噪聲系數(shù)(接收機系統(tǒng))。因此測量方法必須仔細選擇。本文中將討論噪聲系數(shù)測試儀法和其他兩個方法：增益法和Y系數(shù)法。

使用噪聲系數(shù)測試儀
噪聲系數(shù)測試/分析儀在圖1種給出。

噪聲系數(shù)測試儀，如Agilent公司的N8973A噪聲系數(shù)分析儀，產(chǎn)生28VDC脈沖信號驅(qū)動噪聲源(HP346A/B)，該噪聲源產(chǎn)生噪聲驅(qū)動待測器件(DUT)。使用噪聲系數(shù)分析儀測量待測器件的輸出。由于分析儀已知噪聲源的輸入噪聲和信噪比，DUT的噪聲系數(shù)可以在內(nèi)部計算和在屏幕上顯示。對于某些應用(混頻器和接收機)，可能需要本振(LO)信號，如圖1所示。當然，測量之前必須在噪聲系數(shù)測試儀中設置某些參數(shù)，如頻率范圍、應用(放大器/混頻器)等。

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，Agilent N8973A可工作頻率為10MHz至3GHz。當測量很高的噪聲系數(shù)時，例如噪聲系數(shù)超過10dB，測量結果非常不準確。這種方法需要非常昂貴的設備。

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算，但是在某種條件下，這些方法更加方便和準確。其中一個常用的方法叫做“增益法”，它是基于前面給出的噪聲因數(shù)的定義：

在這個定義中，噪聲由兩個因素產(chǎn)生。一個是到達射頻系統(tǒng)輸入的干擾，與需要的有用信號不同。第二個是由于射頻系統(tǒng)載波的隨機擾動(LNA，混頻器和接收機等)。第二種情況是布朗運動的結果，應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：P_NA = kTΔF,
這里的k=波爾茲曼常量(1.38*10^-23 焦耳/ΔK),

因而我們有以下的公式：

在公式中，P_NOUT 是已測的總共輸出噪聲功率，-174dBm/Hz是290°K時環(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)。公式中的每個變量均為對數(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)，這時公式變?yōu)椋?BR>

為了使用增益法測量噪聲系數(shù)，DUT的增益需要預先確定的。DUT的輸入需要端接特性阻抗(射頻應用為50Ω，視頻/電纜應用為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。

作為一個例子，我們測量MAX2700噪聲系數(shù)的。在指定的LNA增益設置和V_AGC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)定和準確的噪聲密度讀數(shù)，選擇最優(yōu)的RBW(解析帶寬)與VBW(視頻帶寬)為RBW/VBW=0.3。計算得到的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，當噪聲系數(shù)較低(小于10dB)時，(P_OUTD - 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)，這個方法也非常準確。

Y因數(shù)法
Y因數(shù)法是另外一種常用的測量噪聲系數(shù)的方法。為了使用Y因數(shù)法，需要ENR (冗余噪聲比) 源。這和前面噪聲系數(shù)測試儀部分提到的噪聲源是同一個東西。裝置圖見圖3：

ENR頭通常需要高電壓的DC電源。比如HP346A/B噪聲源需要28VDC。這些ENR頭能夠工作在非常寬的頻段(例如HP346A/B 為10MHz至18GHz)，在特定的頻率上本身具有標準的噪聲系數(shù)參數(shù)。下表給出具體的數(shù)值。在標識之間的頻率上的噪聲系數(shù)可通過外推法得到。

表1：噪聲頭的ENR

在這個式子中，ENR為上表給出的值。通常ENR頭的NF值會列出。Y是輸出噪聲功率譜密度在噪聲源開啟和關閉時的差值。這個公式可從以下得到：

ENR噪聲頭提供兩個噪聲溫度的噪聲源：
熱溫度時T=TH(直流電壓加電時)和冷溫度T=290°K.。ENR噪聲頭的定義為：

冗余噪聲通過給噪聲二極管加偏置得到?，F(xiàn)在考慮在冷溫度T=290°K時與在熱溫度T=T_H時放大器(DUT)功率輸出比：
Y=G(Th+Tn)/G(290+Tn)=(Th/290+Tn/290)/(1+Tn/290).
這就是Y因數(shù)法，名字來源于上面的式子。

根據(jù)噪聲系數(shù)定義，F(xiàn)=Tn/290+1，F(xiàn)是噪聲因數(shù)(NF=10*log(F))，因而，Y=ENR/F+1。在這個公式中，所有變量均是線性關系，從這個式子可得到上面的噪聲系數(shù)公式。

我們再次使用MAX2700作為例子演示如何使用Y因數(shù)法測量噪聲系數(shù)。裝置圖見圖3。連接HP346A ENR到RF的輸入。連接28V直流電壓到噪聲源頭。我們可以在頻譜儀上監(jiān)視輸出噪聲功率譜密度。開/關直流電源，噪聲譜密度從-90dBm/Hz變到-87dBm/Hz。所以Y=3dB。為了獲得穩(wěn)定和準確的噪聲功率譜密度讀數(shù)，RBW/VBW設置為0.3。從表2得到，在2GHz時ENR=5.28dB，因而我們可以計算NF的值為5.3dB。

總結
在本篇文章討論了測量射頻器件噪聲系數(shù)的三種方法。每種方法都有其優(yōu)缺點，適用于特定的應用。下表是三種方法優(yōu)缺點的總結。理論上，同一個射頻器件的測量結果應該一樣，但是由于射頻設備的限制(可用性、精度、頻率范圍、噪聲基底等)，必須選擇最佳的方法以獲得正確的結果。