基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀功率測量的噪聲系數(shù)測量方法

郭海帆，陳建華，陳鑫友，秦 梅，周云鋒

（西南電子設(shè)備研究所，四川 成都 610036）

基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀功率測量的噪聲系數(shù)測量方法

郭海帆，陳建華，陳鑫友，秦 梅，周云鋒

（西南電子設(shè)備研究所，四川 成都 610036）

現(xiàn)有基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行噪聲系數(shù)測量的方法必須依賴標(biāo)準(zhǔn)的噪聲源，即Y系數(shù)測量法。該文提出一種通過在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀源端口輸出連續(xù)波信號(hào)，分別測量被測件的信號(hào)功率與信號(hào)加噪聲的功率，結(jié)合校準(zhǔn)結(jié)果和功率測量結(jié)果計(jì)算獲得噪聲系數(shù)的方法。通過建立測量系統(tǒng)的模型和理論的推導(dǎo)，論述該方法的原理和測量過程的噪聲校準(zhǔn)，提出的方法不需要使用經(jīng)過校準(zhǔn)具有已知超噪比的噪聲源，更簡單實(shí)用。

噪聲系數(shù)；噪聲功率；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

0 引 言

噪聲系數(shù)測量是微波射頻專業(yè)的一種基本測量，目前，一些矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過在內(nèi)部或外部配備標(biāo)準(zhǔn)噪聲源，就能利用Y系數(shù)法進(jìn)行噪聲系數(shù)測量。本文詳細(xì)介紹了一種簡便的基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量噪聲系數(shù)的方法，這種方法不需要阻抗調(diào)諧和用噪聲源進(jìn)行超噪比的校準(zhǔn)，只需使矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀源端口輸出連續(xù)波信號(hào)，利用內(nèi)部不同的檢波器分別測量被測件的信號(hào)功率與信號(hào)加噪聲的功率，再基于校準(zhǔn)的結(jié)果和測量得到的功率信息，即可計(jì)算出被測件的噪聲系數(shù)。

1 噪聲系數(shù)的定義

噪聲系數(shù)表示信號(hào)通過某電路網(wǎng)絡(luò)后信號(hào)噪聲比惡化的程度，是表征網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲大小的物理量，通常被定義為網(wǎng)絡(luò)的輸入信噪比與輸出信噪比的比值。

對(duì)于二端口網(wǎng)絡(luò)，噪聲系數(shù)為網(wǎng)絡(luò)輸入端的信噪比與網(wǎng)絡(luò)輸出端的信噪比的比值，即網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)F。

式中：Si——二端口網(wǎng)絡(luò)輸入端信號(hào)功率；

Ni——二端口網(wǎng)絡(luò)輸入端噪聲功率，當(dāng)輸入端為290K標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)，Ni=kT0B=-174dBm/Hz；

S0——二端口網(wǎng)絡(luò)輸出端信號(hào)功率；

N0——二端口網(wǎng)絡(luò)輸出端噪聲功率。

圖1 多個(gè)模塊級(jí)聯(lián)示意圖

圖1為多個(gè)模塊級(jí)聯(lián)的示意圖，噪聲系數(shù)F為

其中n為級(jí)聯(lián)數(shù)。

2 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量噪聲系數(shù)的原理

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量被測件的噪聲系數(shù)的測量連接圖見圖2。

圖2 噪聲系數(shù)測量連接圖

為了便于分析噪聲系數(shù)的測量原理，可將圖2所示的系統(tǒng)采用圖3所示的系統(tǒng)模型進(jìn)行模擬。

圖3 噪聲系數(shù)測量系統(tǒng)模型

在圖3的模型中，假設(shè)源發(fā)生器理想，除產(chǎn)生連續(xù)波信號(hào)外，僅產(chǎn)生理論噪聲功率N0=kT0B（T0=290K），信號(hào)源的其他額外噪聲可看作由一個(gè)虛擬的噪聲系數(shù)為Fs的放大器產(chǎn)生；而矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中的信號(hào)源產(chǎn)生的連續(xù)波信號(hào)可通過自身的源功率校準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償，因此，可認(rèn)為信號(hào)源虛擬放大器的增益Gs=1。如果在連接被測件時(shí)使用了外部衰減或內(nèi)部步進(jìn)衰減器，可用功率增益GA＜1和噪聲系數(shù)表示，被測件的功率增益GD可通過一個(gè)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量獲得。與信號(hào)發(fā)生器類似，接收機(jī)的非理想的噪聲特性也可通過一個(gè)具備噪聲系數(shù)FR的虛擬放大器來建模；其不理想的連續(xù)波信號(hào)特性可通過一個(gè)傳統(tǒng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀自身的接收機(jī)校準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償，因此，可認(rèn)為接收機(jī)虛擬放大器的增益GR=1[1-3]。

基于上述模型，可得到模型系統(tǒng)的噪聲系數(shù)F為

根據(jù)系統(tǒng)級(jí)聯(lián)的噪聲系數(shù)公式可得圖3模型系統(tǒng)的噪聲系數(shù)F為

式中N0為已知量，被測件增益GD可通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測量獲得，系統(tǒng)噪聲功率NR可通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測量獲得，F(xiàn)S和FR可通過噪聲的測量校準(zhǔn)過程獲得，從而最終獲得被測件的噪聲系數(shù)FD。

3 系統(tǒng)噪聲功率NR的測量

與目前廣泛使用的Y系數(shù)法測噪聲系數(shù)時(shí)要使用噪聲源的方法不同，在使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量時(shí)，可直接利用數(shù)字中頻的優(yōu)勢(shì)測量連續(xù)波信號(hào)的功率，通過采用平均和均方根的計(jì)算方法，分別獲得被測件的輸出信號(hào)在一定帶寬內(nèi)的信號(hào)功率及信號(hào)加噪聲的功率，噪聲功率測量原理[4-5]如圖4所示。

假定Xi是一列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采樣測量的值，為復(fù)數(shù)，可計(jì)算其平均值和均方根值。

式中M是采樣數(shù)，通過設(shè)置測量時(shí)間確定。通過增加測量時(shí)間，就可增加采樣點(diǎn)數(shù)和窄帶濾波器的帶寬，減小功率測量的變化量，從而得到更穩(wěn)定的功率值。

由于被測件輸出的噪聲功率在信號(hào)功率的均方根值和平均值中的表現(xiàn)不同，因此，可由平均檢波器和均方根檢波器值計(jì)算噪聲功率。功率的平均值僅代表連續(xù)波的功率，均方根的平方代表在測量帶寬內(nèi)總信號(hào)功率，包括連續(xù)波信號(hào)功率和噪聲功率。

圖4 噪聲功率測量原理圖

為便于詳細(xì)推導(dǎo)，假設(shè)經(jīng)過下變頻、濾波輸入接收機(jī)的信號(hào)表達(dá)式為Xi=Si+ni，S為載波信號(hào)的幅度復(fù)數(shù)表達(dá)式，n為噪聲信號(hào)幅度復(fù)數(shù)表達(dá)式，可得平方檢波器的值為

式（12）中右邊第1項(xiàng)代表噪聲信號(hào)功率平均值，由于白噪聲在射頻和中頻域的平均值為0，式中的第2項(xiàng)會(huì)隨著一個(gè)大的M快速收斂于0，因此，通過式（12）很容易獲得系統(tǒng)噪聲功率。

當(dāng)射頻信號(hào)下變頻至中頻時(shí)，使用雙邊帶變頻器，射頻頻率為fIF+fLO和fLO-fIF的信號(hào)經(jīng)過下變頻后，都會(huì)落在中頻點(diǎn)上，而噪聲是寬譜的，會(huì)在兩個(gè)邊帶中出現(xiàn)，當(dāng)噪聲信號(hào)經(jīng)過變頻后，兩個(gè)邊帶的噪聲都被輸入了中頻接收機(jī)。由于網(wǎng)絡(luò)分析儀的功率校準(zhǔn)是在信號(hào)功率上進(jìn)行的，而實(shí)際噪聲功率在射頻域只會(huì)在1個(gè)邊帶中出現(xiàn)，是中頻或基帶域測得的噪聲功率的一半；因此，實(shí)際的系統(tǒng)噪聲功率為兩個(gè)平方律檢波器的差值的一半[6]。

式中RL=50 Ω，代表系統(tǒng)阻抗；系數(shù)2是上式去除網(wǎng)絡(luò)分析儀的鏡像響應(yīng)，單邊變頻引入的噪聲功率；由式（13）可得到NR。

4 噪聲系數(shù)的測量校準(zhǔn)

與測量S參數(shù)一樣，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在用于噪聲系數(shù)測量時(shí)，需要進(jìn)行有效的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)過程除矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀本身的校準(zhǔn)外，還包括源噪聲的校準(zhǔn)和接收機(jī)噪聲的校準(zhǔn)，從而獲得FS和FR。在此僅對(duì)源噪聲的校準(zhǔn)、接收機(jī)噪聲的校準(zhǔn)方法和FS、FR的獲得進(jìn)行闡述。在這兩項(xiàng)校準(zhǔn)中，首先要進(jìn)行接收機(jī)噪聲校準(zhǔn)，再進(jìn)行源噪聲的校準(zhǔn)[7-8]。

1）接收機(jī)噪聲校準(zhǔn)

接收機(jī)端口自身固有的噪聲可通過在接收機(jī)端口接一只50Ω匹配負(fù)載進(jìn)行接收機(jī)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的模型如圖5所示。通過測量接收機(jī)的絕對(duì)噪聲NR，利用下式計(jì)算出接收機(jī)噪聲系數(shù)FR。圖5中的系統(tǒng)噪聲系數(shù)F即為FR。

圖5 接收機(jī)噪聲校準(zhǔn)模型

2）源噪聲的校準(zhǔn)

將源輸出端口直接接至接收機(jī)輸入端口，中間不接被測件，如果中間使用了外部衰減器，則在計(jì)算時(shí)考慮衰減值，校準(zhǔn)的模型如圖6所示。通過測量接收機(jī)的絕對(duì)噪聲NR，結(jié)合接收機(jī)校準(zhǔn)過程噪聲系數(shù)FR，可以利用式（17）計(jì)算源噪聲系數(shù)FS。

圖6 源噪聲校準(zhǔn)模型

圖6所示的系統(tǒng)噪聲系數(shù)F為

其中通過網(wǎng)絡(luò)儀校準(zhǔn)后，GS=1，GR=1。

圖6所示系統(tǒng)的噪聲系數(shù)按照級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)計(jì)算可得：

由式（15）與式（16）相等可得：

Noise figure measurement based on power measurement from vector network analyzer

GUO Hai-fan，CHEN Jian-hua，CHEN Xin-you，QIN Mei，ZHOU Yun-feng
（Southwest China Research Institute of Electronic Equipment，Chengdu 610036，China）

The general noise figure measurement method based on vector network analyzer must depend on standard noise source，which is called the Y-factor measurement method.A noise figure measurement method was described in this paper，which used the CW signal from vector network analyzer source，and measured the signal power and the signal and noise power of the DUT respectively，and acquired noise figure by combining calibration results with power results.The principle of this measurement method and the calibration procedure were discussed by building measurement system model and deriving theory.This measurement method without a given ENR（express noise ratio）noise source is easy and practicable.

noise figure；noise power；vector network analyzer

TM935.2；TM933.3+3；TN911；TM930.12

：A

：1674-5124（2014)06-0035-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.009

2014-01-09；

：2014-03-08

郭海帆（1976-），女，河南西平縣人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事無線電計(jì)量測試等工作。