如何測試低噪聲放大器(LNA)的噪聲系數(shù)

之前一個(gè)朋友要測試低噪聲放大器(LNA)的噪聲系數(shù)，但是聲稱遇到一些麻煩。LNA噪聲系數(shù)的測試采用Y因子法非常簡便，校準(zhǔn)完成后直接連接待測件即可測試，可操作性非常強(qiáng)。麻煩在哪里呢？

原來待測件是一個(gè)含有四個(gè)通道的接收模塊，每個(gè)通道只含有一個(gè)LNA，然后經(jīng)過合路器合為一路輸出，如圖1所示。按理說，逐一測試每一通道的噪聲系數(shù)還是比較簡單的，因?yàn)橥ǖ乐袥]有變頻器件。但是麻煩在于，四路LNA的供電是同一路，如果測試其中一路時(shí)，很難做到只給一路而不給其它三路供電。因此，為了方便測試，朋友問能否在四路同時(shí)供電的情況下測試每一路的噪聲系數(shù)。如果這樣測試，大體上會帶來多大的誤差？

圖1. 四通道接收模塊(只包含LNA)

四路LNA同時(shí)供電的情況下，當(dāng)然還可以使用Y因子法進(jìn)行測試，可以得到一個(gè)測量結(jié)果，但是已不再講究測試精度。盡管如此，如果要對比只給待測通道供電情況下的測試結(jié)果，還是可以通過公式推導(dǎo)一番的。

推導(dǎo)過程比較復(fù)雜，為了簡便起見，作如下假設(shè)：(1) 四個(gè)通道具有相同的增益G 和噪聲因子F ；(2) 室溫為290K (T0)；(3) 合路器通道隔離度良好，及各級器件之間匹配良好。

1.首先考慮只給待測通道供電的情況，其它三路不供電，且端接50 Ohm匹配負(fù)載。不供電的三路也會在合路器輸出端貢獻(xiàn)一部分噪聲，但是相對于待測通道的輸出噪聲要小很多，所以下面的推導(dǎo)將其忽略。采用Y因子法測試之前需要做噪聲系數(shù)校準(zhǔn)，這是為了得到頻譜儀自身的噪聲系數(shù)，同時(shí)校準(zhǔn)過程中的中間測量量將用于待測件增益的計(jì)算。

校準(zhǔn)時(shí)，將噪聲源直接連接于頻譜儀，利用噪聲源打開和關(guān)斷兩種狀態(tài)下的測量值，便可以提取出頻譜儀的噪聲系數(shù)。

當(dāng)噪聲源分別打開和關(guān)閉時(shí)，頻譜儀在帶寬B范圍內(nèi)測得的噪聲功率為：

NSA,on=kBTon?GSA+kBTSA?GSA
NSA,off=kBToff?GSA?FSA=kBT0?GSA?FSA

式中，Ton和Toff分別為噪聲源打開和關(guān)閉時(shí)的等效噪聲溫度，F(xiàn)SA和TSA分別為頻譜儀的噪聲因子及等效噪聲溫度，GSA為頻譜儀的通道增益——頻譜儀通道經(jīng)過校準(zhǔn)，故可認(rèn)為其增益為1。

噪聲系數(shù)校準(zhǔn)完成后，連接待測件進(jìn)行測試，當(dāng)噪聲源分別打開和關(guān)閉時(shí)，頻譜儀在帶寬B范圍內(nèi)測得的噪聲功率為：

Nout,on=kBTon?G?GSA+kBTe?G?GSA+kBTSA?GSA
Nout,off=kBT0?G?F?GSA+kBTSA?GSA

根據(jù)校準(zhǔn)及測試過程中測得的噪聲功率，便可以確定待測件的增益，公式如下：

定義Y因子為

在T0溫度下，由Y因子及噪聲源超噪比ENR便可以計(jì)算出待測件與頻譜儀總體的噪聲系數(shù)：

NFtotal=ENR-10lg?(Y-1)

下面考慮另外一種情況，四路LNA同時(shí)供電，測試結(jié)果將是怎樣的。

2.如果四路同時(shí)供電，測試結(jié)果將會怎么樣呢？不測試的三路端接50 Ohm匹配負(fù)載，由于在正常狀態(tài)下，其在合路器輸出端貢獻(xiàn)的噪聲不能再忽略。

噪聲系數(shù)的校準(zhǔn)與前面第一種情況完全相同，此處不再贅述。校準(zhǔn)完成后，連接待測件進(jìn)行測試。當(dāng)噪聲源分別打開和關(guān)閉時(shí)，頻譜儀在帶寬B范圍內(nèi)測得的噪聲功率為：

Nout1,on=kBTon?G?GSA+kBTe?G?GSA+kBTSA?GSA+3kBT0?G?F?GSA
Nout1,off=kBTSA?GSA+4kBT0?G?F?GSA

在此過程中計(jì)算得到的待測件的增益為

經(jīng)過驗(yàn)證，G1= G。

定義Y因子為

在T0溫度下，由Y因子及噪聲源超噪比ENR便可以計(jì)算出待測件與頻譜儀總體的噪聲系數(shù)：

NFtotal1=ENR-10lg?(Y1-1)

3.對比分析上述兩種情況，評估測試結(jié)果差異大小。

如果GF >> FSA，則上式可以簡化為

這意味著第二種情況測得的總噪聲系數(shù)將比第一種情況高約6dB。

總噪聲系數(shù)是指待測件與頻譜儀總體的噪聲系數(shù)，如果將頻譜儀自身的噪聲系數(shù)修正掉，那么兩種情況測得的待測件的噪聲系數(shù)有多少差異呢？

對于兩級級聯(lián)系統(tǒng)，待測件與頻譜儀級聯(lián)后總體的噪聲因子為：

因NFtotal1比NFtotal高約6dB，故滿足如下關(guān)系

因G1= G ，上式進(jìn)一步化簡得

F1=4F+(3?(FSA-1))/G

上述公式推導(dǎo)基于假設(shè)GF >> FSA，通常LNA的噪聲系數(shù)在1.5dB~3dB之間，對應(yīng)的噪聲因子為位于1.4~2之間，這意味著如果要滿足該假設(shè)條件，則要求LNA的增益G >> FSA。

這種情況下，可以作如下估計(jì)

F1≈4F , NF1≈NF+6dB

小結(jié)

當(dāng)測試其中一個(gè)通道的噪聲系數(shù)時(shí)，如果其它三個(gè)通道不斷電，則當(dāng)待測通道的增益G 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頻譜儀自身噪聲系數(shù)FSA時(shí)，測得的噪聲系數(shù)結(jié)果比單獨(dú)測試一個(gè)通道(其它三個(gè)通道斷電)的結(jié)果高約6dB！