被“遺忘”的噪聲系數(shù)測試方法

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曾經(jīng)在《噪聲系數(shù)系列：噪聲系數(shù)定義及影響》一文中提到了目前噪聲系數(shù)的三種測試方法，增益法、Y因子法和基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試方法，除這三種方法外，還有一種稱為“冷源法”的測試方法。

為什么稱為冷源法呢？是因為沒有采用噪聲源，無論是校準(zhǔn)還是測試，輸入噪聲功率都是背景熱噪聲功率。增益法其實也是一種冷源法，但是，冷源法不能簡單地歸為增益法，可以認為是增益法的改進版，二者有什么區(qū)別呢？

冷源法測試思路

增益法沒有使用噪聲源，也沒有修正頻譜儀自身噪聲系數(shù)帶來的影響，幾乎全是憑借DUT自身的高增益保證測試精度。

而冷源法比增益法更先進一些，考慮了頻譜儀自身的噪聲系數(shù)，即測試結(jié)果修正了頻譜儀帶來的影響，不再像增益法那樣對DUT增益有過高的要求了。

類似于Y因子法，冷源法主要分為兩步：校準(zhǔn)和測試。除非特別說明，下面的介紹均基于T0 (290K)溫度這一假設(shè)。

步驟一：校準(zhǔn)

校準(zhǔn)的目的是獲取頻譜儀自身的噪聲系數(shù)，以便對測試結(jié)果進行修正。圖1給出了校準(zhǔn)組網(wǎng)示意圖，直接將50 Ohm匹配負載連接至頻譜儀端口，不建議經(jīng)過線纜連接，以提高校準(zhǔn)精度。

圖1. 冷源法校準(zhǔn)組網(wǎng)示意圖

頻譜儀測得噪聲功率為

NSA = KBT0 × GSA × FSA

式中，B為噪聲帶寬，GSA為頻譜儀的增益，F(xiàn)SA為頻譜儀的噪聲因子。尤其要說明的是，如果手動測試噪聲功率，一般觀測的是RBW帶寬內(nèi)的功率，但是RBW并不是實際的噪聲帶寬，而是與噪聲帶寬有一定的關(guān)系，不同的filter類型，對應(yīng)的系數(shù)不同。

在校準(zhǔn)中，需要精確已知噪聲帶寬B的大小，否則會給測試帶來一定的誤差。但是，當(dāng)DUT的增益比較高時，即使使用RBW代替噪聲帶寬進行計算，高增益也會弱化這對測試結(jié)果的影響。

因為頻譜儀經(jīng)過了自校準(zhǔn)，理論上輸入多大功率，測得的功率就是多少，這意味著其增益可以理解為1，則上式可變換為

NSA = KBT0 × FSA

寫成對數(shù)形式為

NSA(dBm) = -174dBm/Hz + 10lgB + NFSA

根據(jù)上式便可以計算出頻譜儀自身的噪聲系數(shù)NFSA。

步驟二：測試NF

在DUT輸入端連接50 Ohm匹配負載，如圖2所示，頻譜儀測得的噪聲功率為

NDUT&SA = kBT0 × GDUT&SA × FDUT&SA

式中，GDUT&SA就是DUT與SA總體的增益，F(xiàn)DUT&SA為DUT與SA總體的噪聲因子。因假設(shè)頻譜儀為單位增益，故根據(jù)GDUT和頻譜儀測得的噪聲功率便可以計算出總噪聲因子。

值得一提的是，冷源法要求DUT的增益是精確已知的。

根據(jù)DUT與頻譜儀的噪聲因子級聯(lián)公式，便可以計算出DUT本身的噪聲因子。

FDUT&SA = FDUT + (FSA - 1)/GDUT

圖2. 冷源法測試組網(wǎng)示意圖

具體是否打開頻譜儀前置放大器，要視DUT的增益高低而定，如果DUT增益非常高，比如超過30dB，可以不打開前置放大器。因為DUT輸出的噪聲功率比較高，打開前置放大器后，容易引起頻譜儀過載。

如何提高冷源法測試精度？

作為一種改進的增益測試法，其適用范圍和測試精度自然更好，但實際操作時，仍然還有一些注意事項。

精確已知DUT增益

與Y因子法不同，冷源法過程中無法測得DUT增益，因此需要已知增益，以便利用級聯(lián)公式求解DUT本身的噪聲因子。

高增益更容易獲得高精度

對于冷源法，DUT增益越高，饋入頻譜儀的總噪聲功率越高，越容易準(zhǔn)確測試。根據(jù)經(jīng)驗，要求總噪聲功率高于頻譜儀底噪至少6dB，因此當(dāng)增益較高時，更容易保證精度。

高噪聲系數(shù)對測試更有利

這一點怎么理解呢？這一點是相對的，如果DUT增益非常高，冷源法也是能夠測試非常低的噪聲系數(shù)的。但，如果DUT增益比較低，比如10dB甚至更低，就限制了測試低噪聲系數(shù)的能力。還是從準(zhǔn)確測試噪聲功率的角度考慮，當(dāng)DUT本身噪聲系數(shù)比較高時，自身產(chǎn)生的噪聲功率才更高，頻譜儀才更加容易測試準(zhǔn)確。

使用衰減器改善測試精度

如果DUT本身的端口VSWR不好，這會對噪聲系數(shù)測試造成影響。為了改善這一點，可以考慮在前后使用合適的衰減器，以改善端口VSWR。

精確已知測量時的噪聲帶寬

任何濾波器都有自身的等效噪聲帶寬，通過濾波器的所有功率都等效在一個功率譜密度恒定的帶寬內(nèi)，這個帶寬就是等效噪聲帶寬。噪聲帶寬不同于濾波器的3dB帶寬，在冷源法的校準(zhǔn)和測試過程中，都需要噪聲帶寬進行相應(yīng)的計算。

值得一提的是，Y因子法并不需要已知噪聲帶寬，因為計算過程中，噪聲帶寬相互抵消，在后面的文章中，將詳細介紹這一點。