CN104237829B

CN104237829B - 高精度噪声系数测量系统整体校准方法

Info

Publication number: CN104237829B
Application number: CN201410496265.5A
Authority: CN
Inventors: 吴爱华; 梁法国; 刘晨; 孙静; 孙晓颖; 栾鹏
Original assignee: CETC 13 Research Institute
Current assignee: CETC 13 Research Institute
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2034-09-24
Also published as: CN104237829A

Abstract

本发明公开了一种高精度噪声系数测量系统整体校准方法，其在高精度噪声系数测量系统的校准中使用了无源传递标准件，并引入了低噪声放大器以辅助校准，该方法对高精度噪声系数测量系统进行整体校准，通过先后测量传递标准件与低噪声放大器的级联噪声参数和低噪声放大器单独的噪声参数以及传递标准件的S参数，经过模型计算，最终获得传递标准件的噪声系数测量值，解决了高精度噪声系数测量系统无法精确测量无源结构噪声系数的技术难题，将该值与传递标准件的噪声系数标准值相比较可以得到高精度噪声系数测量系统的示值误差，从而完成了对高精度噪声系数测量系统的校准工作。

Description

高精度噪声系数测量系统整体校准方法

技术领域

本发明涉及噪声系数测量仪器校准技术领域。

背景技术

在微波电路中，除了有用信号外，还不可避免地存在噪声信号。一般来讲，噪声是干扰信号，是工程师竭尽所能希望减小的信号，特别是在有用信号比较微弱的情况下，噪声的有害作用极为明显，为了减小和衡量噪声的影响，科学家不断研究表征与测量噪声的新方法。

1944年Friis在其论文中提出了使用资用信号-噪声功率比来定义两端口网络噪声系数的方法，其定义如下：一个线性两端口网络规定输入端处于290K时，其噪声系数是指输入端的信噪比除以输出端的信噪比，即

，

式中：S _i表示网络输入端资用信号功率，单位为W；

N _i表示网络输入端资用噪声功率，单位为W；

S _o表示网络输出端资用信号功率，单位为W；

N _o表示网络输出端资用噪声功率，单位为W。

这是微波噪声测量领域表征线性两端口网络噪声中使用最普遍的定义。在微波测量仪器校准行业，由于端口阻抗都设计为50欧姆，而50欧姆也是获得资用信号功率和资用噪声功率的一种方式。因此，噪声校准业内选取50欧姆阻抗状态下的噪声系数（F ₅₀）作为校准参数。

当前使用最普遍的噪声系数测量系统由噪声源和噪声系数仪组成，其中噪声源提供标准的噪声信号，噪声系数仪测量噪声源处于两个不同的资用噪声功率(或不同噪声温度)时的标准噪声信号经过被测件（DUT）之后的总的噪声信号，然后经过运算得到DUT 的噪声系数。这种测量系统依据的测量方法称作Y因子法，其测量精度依赖于“测试系统与DUT”的四个假设条件（我们将其称作“噪声测量默认假设”）：（1）源端匹配假设，即假设连接DUT的噪声源呈现一个良好的50Ω匹配，这个假设在噪声源直接连接被测件时是相对合理的（但不是完美的，即其驻波比接近于1但不等于1），如果噪声源与被测件之间存在其他微波网络（如矩阵开关、探针台、测试夹具等），将会增加损耗以及额外的反射，从而使得测试系统有效源匹配进一步退化，“噪声测量定义假设”将不再成立，进而带来较大的测量误差，一般称之为失配误差，且这种失配误差不易消除；（2）负载端匹配假设，即假设连接DUT输出端的噪声系数仪呈现一个良好的50Ω匹配，噪声系数测量需要测量被测件的可资用增益，而Y因子法是测量一个标量增益，并假设二者相当，这种假设只有在被测件输入输出都匹配良好的时候才近似成立；（3）假设噪声源冷/热两态的反射系数是一样的，但实际上由于噪声二极管的不同偏压下阻抗状态的变化，其反射系数也是不同的；（4）假设噪声系数仪在连接噪声源和被测件的时候，噪声系数是一样的；实际上，两次连接在噪声系数仪源端呈现了不同的阻抗，依据噪声参数原理，噪声系数仪的噪声系数会随着源阻抗变化，这意味着，在测量被测件噪声系数的时候，应该依据被测件的输出端反射系数，调整噪声系数仪的噪声系数。

综上所述，Y因子法的噪声系数测量系统整体讲是一个标量测量系统。它的校准方式是采用噪声源和噪声系数仪分别校准，校准过程中也遵守“噪声测量默认假设”，因此噪声系数测量准确度较低。

高精度噪声系数测量系统采用的是一种具有源端失配误差修正，且能够降低噪声系数仪（或者噪声选件）的噪声参数影响量的崭新测量技术，它通常由矢量网络分析仪、噪声系数仪（或者噪声选件）、噪声源和阻抗调配器等四部分组成，其工作原理依据线性两端口网络的噪声系数和源反射系数之间的数学函数关系，该函数一般被称为噪声参数方程，即

，

式中：F――噪声系数；F _min――最小噪声系数；R _n――等效噪声电阻（表示噪声系数随源反射系数变化的快慢）；Γ _S――源反射系数；Γ _opt――最佳源反射系数（对应最小噪声系数时的源反射系数）。

上文提到的崭新测量技术就是利用噪声参数方程，在四个以上不同的源反射系数下，测量相应的噪声系数，通过最小二乘法求解出噪声参数，最后计算对应的50Ω阻抗条件下的噪声系数（F ₅₀）。由于这种测量方法考虑真实测量环境下的失配条件，所以高精度噪声系数测量系统可以减弱甚至消除Y因子法的四种假设条件所带来的测量不确定度影响量。

在高精度噪声系数测量系统中，矢量网络分析仪用于测量各个网络（包括噪声源冷热两态、调配器、DUT、噪声系数仪、转接头以及微波电缆等）的S参数（S参数也称作散射参数或阻抗参数，是反映微波网络端口输入电压波（电流波）、反射电压波（电流波）和透射电压波（电流波）的比例关系的参数），阻抗调配器用于调整被测件源端反射系数，噪声系数仪（或者噪声选件）用于校准和测量环节中，各种源端反射系数对应的噪声功率，实现源端失配误差修正，并降低噪声系数仪（或者噪声选件）的噪声参数影响，提高测量精度。

比较以上两种测量方法可知， Y因子法中，噪声源直接连接DUT时，不确定度大约为0.5dB，通过矩阵开关时，不确定度大约为0.75dB；而高精度噪声系数测量法的不确定度大约为0.2~0.3 dB，是否通过矩阵开关都没有影响。

虽然高精度噪声系数测量法具有更高的测量精度，但是高精度噪声系数测量系统的校准问题至今没有完善的解决方案。

通过对高精度噪声系数测量系统的分析可知：噪声源和矢量网络分析仪都可以分别进行校准，但是噪声系数仪（或者噪声选件）的噪声参数影响和阻抗调配器却无法实现校准。另外，高精度噪声系数测量系统运用最小二乘法求解噪声参数，这个求解过程中涉及到生产厂家的技术秘密，求解的方法对于厂家而言不宜公开，而此方法对于校准噪声系数仪（或者噪声选件）的噪声参数影响又是必不可少的，因此对测量系统进行分别校准困难非常大，甚至说是不可实现的。为了完成高精度噪声系数测量系统的校准工作，整体校准法就成为另一个思路。

所谓“整体校准”，其对象一定是包含两个以上测量仪器的测量系统，该校准方法不是对测量系统中的每一个组成仪器分别进行校准，而是采用一定的校准技术，通过相应的媒介实现对测量系统的整体校准，该校准的结果即获得测量系统的示值误差。

国外对于噪声系数测量系统的整体校准有较长的研究历史，V. Adamian和S. Vanden Bosch分别于上世纪末发表文章报道，采用一个“gold”参考放大器（由参考标准实验室赋值，参见文献[7]和[8]）作为传递标准件以验证噪声测量系统，但是这种方法由于放大器噪声、增益和匹配条件表征都随着温度、时间、DC偏置以及DC噪声注入的改变而变化，而参考标准实验室和实际测量的环境不同，测量时间也相差较大，所以不确定度较大，不适合校准高精度噪声系数测量系统。A. Frazer在1988年提出了采用无源2端口网络（如隔离器、衰减器等）验证噪声系数测量系统，这些器件的噪声参数可以通过测量它的S参数直接计算获得，从而将噪声系数溯源到S参数。但是由于无源二端口器件的噪声特性为其本身的固有特性，并不依赖于测试时噪声源所注入的资用噪声功率的大小，因此它也不适合对噪声系数测量进行系统地验证。

参考文献

[1]A. C. Davidson, B. W. Leake, and E. Strid, Accuracy improvementsin microwave noise parameter measurements [J],IEEE Trans. Microwave TheoryTech., Vol. 37, pp. 1973–1978, Dec. 1989.

[2] Lane, R.Q. The determination of device noise parameters [J],Proceedings of the IEEE, vol. 57, pp. 1461-1462, 1969

[3] Matthew M,射频与微波电子学[M].北京：电子工业出版社，2002：474

[4]James Randa,Verification of Noise-Parameter MeasurementsandUncertainties[J], IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,VOL.60,NO.11, NOVEMBER 2011

[5]梁法国,吴爱华,郑延秋，微波器件噪声参数的测量方法[J]. 半导体技术,2011, (06): 478-482.

[6]Wu Aihua, Evaluation on Uncertainty of Noise Parameter AgainstCommercial Measurement,ICEMI2013,PP441-445

[7] V. Adamian, R. Fenton , "Verification of the Noise ParameterInstrumentation," 49th ARFTG Conference Digest,

Denver, co, June 1997, pp 181-190

[8] S. Van den Bosch, L. Martens, "Deriving Error Bounds on MeasuredNoise Factors Using Active Device

Verification," 54th ARFTG Conference Digest, Dec. 1999, pp

[9] A. Frazer, E. Strid, "Repeatability and Verification of On-waferNoise Parameter Measurements," MicrowaveJournal, Nov. 1988。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种高精度噪声系数测量系统整体校准方法，该方法对高精度噪声系数测量系统进行整体校准，通过先后测量传递标准件与低噪声放大器的级联噪声参数和低噪声放大器单独的噪声参数以及传递标准件的S参数，经过模型计算，最终获得传递标准件的噪声系数测量值，解决了高精度噪声系数测量系统无法精确测量无源结构噪声系数的技术难题，将该值与传递标准件的噪声系数标准值相比较可以得到高精度噪声系数测量系统的示值误差，从而完成了对高精度噪声系数测量系统的校准工作。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种高精度噪声系数测量系统整体校准方法，本方法在待校的高精度噪声系数测量系统中接入传递标准件和用于提高校准精度的低噪声放大器，其中，待校的高精度噪声系数测量系统包括四部分，即矢量网络分析仪、噪声系数仪（或噪声选件）、噪声源和阻抗调配器，传递标准件和低噪声放大器均与阻抗调配器串联，本校准方法首先通过矢量网络分析仪设定待校的高精度噪声系数测量系统的频率，然后计算该频率下传递标准件的噪声系数标准值F _s50和传递标准件的噪声系数测量值F _m50，最后将两者比较得到该频率下的示值误差，该频率下的校准完成；

所述F _m50和F _s50均为下式（1）的左值：

（1），

式（1）中：F为噪声系数、F _min为最小噪声系数、R _n为等效噪声电阻、Γ _opt为最佳源反射系数，其中Γ _opt为复数，通过模值|Γ _opt|和相角∠Γ _opt表征，F _min、R _n和Γ _opt构成一组噪声参数，Z ₀为特征阻抗，Z ₀的数值等于50欧姆，Γ _S为源反射系数，在求解F _m50和F _s50的过程中Γ _S的数值等于0；

用于依据式（1）求解F _s50的第一组噪声参数和用于依据式（1）求解F _m50的第二组噪声参数均根据下列（2）～（5）诸式计算：

（2），

（3），

（4），

（5），

式（2）～（5）中：c ₁₁、c ₁₂、c ₂₁和c ₂₂依照角标所示位置构成一个二阶方阵，即噪声相关矩阵；式（5）中的|Γ _opt|和∠Γ _opt由式（3）和式（4）求得：

用于依据式（2）～（5）求解第一组噪声参数的噪声相关矩阵C _P根据下式（6）计算：

（6），

式（6）中：T _a为测量环境的温度，T ₀为标准噪声温度，数值等于290K，，T _P ⁺为T _P的共轭转置矩阵，T _P为传递标准件的T参数；

用于依据式（2）～（5）求解第二组噪声参数的噪声相关矩阵C _P ^’根据下式（7）计算：

（7），

式（7）中：C _PA为传递标准件与低噪声放大器级联的噪声相关矩阵，C _A为低噪声放大器的噪声相关矩阵，T _P ⁺和T _P的含义与式（6）中相同；

所述传递标准件的T参数T _P根据下式（8）计算：

（8），

式（8）中：s ₁₁、s ₁₂、s ₂₁和s ₂₂依照角标所示位置构成一个二阶方阵，即传递标准件的S参数S _P；

所述传递标准件与低噪声放大器级联的噪声相关矩阵C _PA和所述低噪声放大器的噪声相关矩阵C _A均为下式（9）的左值：

（9），

式（9）中：C为噪声相关矩阵，最小噪声系数F _min ^’、等效噪声电阻R _n ^’和最佳源反射系数Γ _opt ^’构成一组噪声参数，Z ₀的含义与式（1）中相同，表示的共轭复数；

用于依据式（9）求解C _PA的噪声参数为传递标准件与低噪声放大器级联的噪声参数，用于依据式（9）求解C _A的噪声参数为低噪声放大器的噪声参数；

上述传递标准件的S参数S _P通过矢量网络分析仪测得，传递标准件与低噪声放大器级联的噪声参数，以及低噪声放大器的噪声参数均通过噪声系数仪（或噪声选件）测得。

作为优选，上述低噪声放大器的型号为CBL01263345TH-02。

作为优选，上述传递标准件由25欧姆的失配空气线级联3分贝的衰减器构成。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明解决了高精度噪声系数测量系统无法精确测量无源结构噪声系数的难题，本方案中传递标准件由无源的失配空气线和无源的衰减器组成，由于都是无源结构所以其噪声性能稳定且可靠，满足传递标准件的首要要求，此外，失配空气线的阻抗状态与DUT更加接近，衰减器的衰减量可以依据校准噪声系数数值灵活选择，从而达到更加真实的模拟实测环境以及更宽的测量范围；通过本方法，中立的计量技术机构可以独立地对高精度噪声系数测量系统进行准确的校准，从而为使用此类测量系统的单位提供权威可信的参考数据，这必将进一步推动此类测量系统在我国相关行业中的广泛使用，并促进高精度噪声系数测量系统行业的健康发展。

附图说明

图1是实施例1中校准系统的结构框图；

图2是实施例1中的示值误差计算方法流程图；

图3是实施例1中的校准结果数据图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1、2和3所示，一种高精度噪声系数测量系统整体校准方法，其中高精度噪声系数测量系统由带噪声选件（型号为H29）的矢量网络分析仪（PNA-X N5242）、用于提供标准噪声信号的噪声源（型号为346C）和用于提供不同的源阻抗状态的阻抗调配器（型号为MT983BU）组成，此外，为使用本方法还需在该测量系统中加入传递标准件和低噪声放大器，低噪声放大器的型号为CBL01263345TH-02，传递标准件由25Ω失配空气线（型号Agilent85053B）级联3dB衰减器（型号Agilent 8493C）构成。连接好设备后，按照如下步骤进行具体操作：

1）通过矢量网络分析仪设定待校的高精度噪声系数测量系统的频率；

2）通过矢量网络分析仪测量传递标准件的S参数S _P，通过噪声选件测量传递标准件与低噪声放大器级联的噪声参数和低噪声放大器单独的噪声参数；

3）将步骤2）中测得的传递标准件与低噪声放大器级联的噪声参数代入式（9），即得传递标准件与低噪声放大器级联的噪声相关矩阵C _PA；

将步骤2）中测得的低噪声放大器单独的噪声参数代入式（9），即得低噪声放大器的噪声相关矩阵C _A；

4）将步骤2）中测得的传递标准件的S参数S _P代入式（8），计算传递标准件的T参数T _P：

5）将步骤4）中得到的传递标准件的T参数T _P代入式（6），计算用于求解第一组噪声参数的传递标准件的噪声相关矩阵C _P：

6）将步骤3）所得的C _PA和C _A，以及步骤4）所得的T _P代入式（7），计算用于求解第二组噪声参数的传递标准件的噪声相关矩阵C _P ^’：

7）将步骤5）所得C _P代入（2）～（5）各式，得到用于求解标准值的第一组噪声参数；

将步骤6）所得C _P ^’代入（2）～（5）各式，得到用于求解测量值的第二组噪声参数；

8）将步骤7）所得第一组噪声参数代入式（1），得到传递标准件的噪声系数标准值F _s50；

将步骤7）所得第二组噪声参数代入式（1），得到传递标准件的噪声系数测量值F _m50；

9）比较步骤8）所得F _s50和F _m50，得到步骤1）所设频率下的示值误差，该频率下的校准工作完成。

校准系统的微波测量频段为2~26 GHz，根据以上步骤进行各频率下的整体校准，将得到的数据列表，其中低噪声放大器的噪声参数见表1，失配空气线与低噪声放大器的级联噪声参数见表2，失配空气线的S参数见表3，求得的各频率下噪声系数标准值F _s50和测量值F _m50以及相应示值误差的数据见表4，将表4转化为图像形式见图3。

本方法对高精度噪声系数测量系统进行整体校准，适用于同轴、在片或测量夹具等多种形式的测量系统的校准工作，它通过先后测量传递标准件与低噪声放大器的级联噪声参数和低噪声放大器单独的噪声参数以及传递标准件的S参数，经过模型计算，最终获得传递标准件的噪声系数测量值，从而解决了高精度噪声系数测量系统无法精确测量无源结构噪声系数的技术难题，将该值与传递标准件的噪声系数标准值相比较可以得到高精度噪声系数测量系统的示值误差，从而完成了对高精度噪声系数测量系统的精度测量。

目前，整体校准方法是仪器校准行业的主流发展方向，特别是针对类似于噪声测量这种组成复杂的测量系统更加如此。本方案中传递标准件由无源的失配空气线和无源的衰减器组成，由于都是无源结构所以其噪声性能稳定可靠，满足传递标准件的首要要求；其次，失配空气线的阻抗状态与DUT更加接近，衰减器的衰减量可以依据校准噪声系数数值灵活选择，从而达到更加真实的模拟实测环境以及更宽的测量范围。

如今，高精度噪声系数测量系统已经广泛地应用于微电子、通讯等行业，而高精度噪声系数测量系统的使用单位却只能无条件的信任仪器制造商的承诺，无法自主地确认该类系统的测量误差。通过本方法，中立的计量技术机构可以独立地对高精度噪声系数测量系统进行准确的校准，从而为使用此类测量系统的单位提供权威、可信的参考数据，这必将进一步推动此类测量系统在我国相关行业中的广泛使用，并促进高精度噪声系数测量系统行业的健康发展。

Claims

1.一种高精度噪声系数测量系统整体校准方法，其特征在于：本方法在待校的高精度噪声系数测量系统中接入传递标准件和低噪声放大器，所述待校的高精度噪声系数测量系统包括矢量网络分析仪、噪声源、阻抗调配器，以及噪声系数仪或噪声选件，所述传递标准件和低噪声放大器均与所述阻抗调配器串联，本校准方法首先通过矢量网络分析仪设定待校的高精度噪声系数测量系统的频率，然后计算该频率下传递标准件的噪声系数标准值F _s50和传递标准件的噪声系数测量值F _m50，最后将F _s50和F _m50比较得到该频率下的示值误差，至此该频率下的校准完成；

所述F _m50和F _s50均为下式（1）的左值：

（1），

式（1）中：F为噪声系数、F _min为最小噪声系数、R _n为等效噪声电阻、Γ _opt为最佳源反射系数，F _min、R _n和Γ _opt构成一组噪声参数，Z ₀为特征阻抗，Z ₀的数值等于50欧姆，Γ _S为源反射系数，在求解F _m50和F _s50的过程中Γ _S的数值等于0；

用于依据式（1）求解F _s50的第一组噪声参数和用于依据式（1）求解F _m50的第二组噪声参数均根据下列（2）～（5）式计算：

（2），

（3），

（4），

（5），

（6），

（7），

式（7）中：C _PA为传递标准件与低噪声放大器级联的噪声相关矩阵，C _A为低噪声放大器的噪声相关矩阵，T _P ⁺和T _P的含义与式（6）中的相同；

所述传递标准件的T参数T _P根据下式（8）计算：

（8），

（9），

式（9）中：C为噪声相关矩阵，最小噪声系数F _min ^’、等效噪声电阻R _n ^’和最佳源反射系数Γ _opt ^’构成一组噪声参数，Z ₀的含义与式（1）中的相同；

所述传递标准件的S参数S _P通过矢量网络分析仪测得，所述传递标准件与低噪声放大器级联的噪声参数以及所述低噪声放大器的噪声参数均通过噪声系数仪或噪声选件测得。

2.根据权利要求1所述的高精度噪声系数测量系统整体校准方法，其特征在于：所述低噪声放大器的型号为CBL01263345TH-02。

3.根据权利要求1所述的高精度噪声系数测量系统整体校准方法，其特征在于：所述传递标准件由25欧姆的失配空气线级联3分贝的衰减器构成。