CN108828336B - 一种基于矢量网络分析仪和噪声源的噪声系数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于矢量网络分析仪和噪声源的噪声系数测试方法，属于测试技术领域，本发明解决了被测件和仪器的匹配误差问题，特别适用于被测件的匹配不是很好的情况，提高了测试的准确度；采用的方法和矢量网络分析仪噪声接收机结合，提高了测试的动态范围，无论是小噪声系数和大噪声系数，都能应用本发明得到精确的测量；采用矢量网络分析仪测试被测件的增益：矢量网络分析仪通过端口对误差项的校准，得到最精确的被测件增益；采用噪声源对接收机进行表征：噪声源对接收机进行增益带宽积的表征，冷热两态通过公式求解使增益带宽积得到精确测量，并可以溯源到噪声源。

Description

一种基于矢量网络分析仪和噪声源的噪声系数测试方法

技术领域

本发明属于测试技术领域，具体涉及一种基于矢量网络分析仪和噪声源的噪声系数测试方法。

背景技术

在任何的电子器件中，都存有噪声，噪声对于使用者要发生、传输和接收的信号会造成显著的干扰。为了对电子器件的噪声特性进行表征，工程师们引入了噪声系数的概念。随着微波通信、雷达、导航等技术的迅速发展，对低噪声器件的要求越来越迫切，为检测器件的性能和度量设备接收微弱信号的能力，需要测量器件与设备的噪声特性，这使得噪声系数的测试与计量变得极为重要。

目前市场上测量噪声系数的仪器主要是噪声系数分析仪和频谱分析仪。

噪声系数分析仪采用的方法是Y因子法。Y因子法是一项传统的测试噪声系数的方法，它利用一个可以设置为冷、热两种状态的噪声源来表征接收机本身的噪声系数，之后再利用噪声系数的级联公式对被测件(DUT)进行求解。其中，噪声源冷热两态的比值是提前校准的标准值，称为超噪比(ENR)。噪声源上一般标有特定频点上的ENR表格，表格之外的数值使用拟合的方法获得。设噪声源开的功率为N_on，噪声源关的功率为N_off，Y因子的定义是二者的比值。

Y＝Non/Noff (1)

噪声系数NF(Noise Figure)的计算公式为：

DUT增益的计算公式为：

上式中，G₁是DUT的增益，N₁₂代表级联的功率，N₂代表单独接收机的功率。

这样，根据噪声系数的级联公式即可以求出来DUT的噪声系数：

F1＝F12-(F2-1)/G1 (4)

Y因子法可以较好的表征DUT的噪声系数。但是由于它没有考虑噪声源以及DUT和接收机端口的匹配情况，所以测试的结果并不能精确的表征DUT的噪声特性。

频谱分析仪测量通常采用的方法是增益法。这种方法根据噪声系数的另一种定义，即噪声系数是器件输出的噪声总功率比上输出端总噪声功率中由输入噪声贡献的部分。这种方法有频谱分析仪即可以手动测量器件的噪声系数，比较方便。

其中k＝1.38×10^-23j/k是玻尔兹曼常数；

T——噪声温度(单位k)；

B——通频带；

N_os表示包含在输出端总的噪声功率，N_o表示其中的由输入噪声贡献的部分，是代表输入端噪声通过理想网络后的输出噪声功率。

根据定义可以得到增益法的公式：

NF＝P_NOUTD+174dBm/Hz-增益 (6)

为了使用增益法测量噪声系数，DUT的增益需要预先确定的。输出噪声功率谱密度可使用频谱分析仪测量。只要频谱分析仪允许，增益法可适用于任何频率范围内。最大的限制来自于频谱分析仪的噪声基底。在公式中可以看到，当噪声系数较低(小于10dB)时，(P_NOUTD-增益)接近于-170dBm/Hz，通常LNA的增益约为20dB。这样我们需要测量-150dBm/Hz的噪声功率谱密度，这个值低于大多数频谱仪的噪声基底。所以增益法测量小噪声系数是非常困难的。如果DUT的噪声系数非常高(比如高于30dB)，这个方法是比较准确的。

现有的噪声仪采用的Y因子法没有考虑端口匹配造成的影响。测试范围一般不会超过30dB。现有的增益法使用频谱分析仪进行测量，增益测量不准确，没有考虑端口匹配造成的影响，测试范围一般要噪声系数大于10dB，增益大于20dB。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于矢量网络分析仪和噪声源的噪声系数测试方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于矢量网络分析仪和噪声源的噪声系数测试方法，噪声源有一个校准的超噪比，定义为：

式中：ENR—噪声源的超噪比；

T_h—噪声源开时的等效输出噪声温度；

T_c—噪声源关时的等效输出噪声温度；

T₀—标准噪声温度290K；

当环境温度不是标准噪声温度290K的时候，噪声源的ENR由公式(8)进行修正：

式中：ENR^CORR是校准过的超噪比；

基于矢量网络分析仪和噪声源的噪声系数测试方法，包括校准和对被测件DUT的测量两个过程；

校准过程分为两个步骤：一是通过噪声源对矢量网络分析仪的噪声接收机进行校准，得到噪声接收机的增益带宽积和噪声系数；二是通过校准件对矢量网络分析仪的端口进行校准；具体包括如下步骤：

步骤S1-1：将矢量网络分析仪接上噪声源，并开机预热30分钟；

步骤S1-2：打开矢量网络分析仪的噪声测量选项，首先设置好S参数测量所需的包括功率、中频带宽、扫描频率、扫描点数在内的参数；

步骤S1-3：打开噪声接收机的设置窗口，设置好噪声接收机的增益、噪声接收机的带宽和环境温度，并显示功率曲线和系统噪声功率；

步骤S1-4：将噪声源连接至端口2，通过矢量网络分析仪控制噪声源，分别测量得到冷热两态的噪声功率；

计算公式如下：

P_C＝G_reckB(T_e+T_c) (9)；

P_h＝G_reckB(T_e+T_h) (10)；

式中：

G_rec—噪声接收机通道增益；

B—测量带宽；

T_e—噪声系数分析仪的等效输入噪声温度；

P_c—噪声源冷态的情况下噪声接收机测得的功率；

P_h—噪声源热态的情况下噪声接收机测得的功率；

k—1.38×10^-23J/K，为玻耳兹曼常数；

校准后，由下面公式得到噪声接收机的增益带宽积KBG_rec、等效噪声温度T_e和噪声系数F_rec：

KBG_rec＝(P_h-P_c)/(T_h-T_c) (11)；

F_rec＝1+T_e/T₀ (13)；

步骤S1-5：使用校准件对矢量网络分析仪进行校准；

测量过程也分为两个步骤：一是通过测量得到DUT的S₂₁；二是通过测量得到级联情况下的噪声功率；具体包括如下步骤：

步骤S2-1：连接DUT，测出DUT的S₂₁参数，即得到DUT的增益；

步骤S2-2：噪声接收机测量得到噪声功率P_sys，即得到DUT级联噪声接收机状态下的噪声功率；

步骤S2-3：主机通过公式(14)-(18)，计算得到DUT的噪声系数；

由公式(14)噪声功率的求解，推导得到公式(15)的等效噪声温度T_sys；

P_sys＝kB(G_dut*G_rec)(Tsys+Tc) (14)；

由公式(16)，等效噪声温度的定义，得到级联的噪声系数；

由公式(17)-(18)，通过噪声系数的级联公式，得到DUT的噪声系数；

F_dut＝F_sys-(F_rec-1)/G_dut (17)；

NF_dut＝10Log₁₀(F_dut) (18)；

式中：

P_sys—噪声接收机在测试DUT状态下的噪声功率；

G_dut—DUT的增益，在这里等于DUT的S₂₁参数；

T_sys—测量DUT时，DUT和噪声接收机级联的等效噪声温度；

F_sys—测量DUT时，DUT和噪声接收机级联的噪声系数线性值；

F_dut—DUT噪声系数的线性值；

NF_dut—DUT噪声系数的dB值。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明采用一种基于矢量网络分析仪和噪声源的噪声系数测试方法，解决了被测件和仪器的匹配误差问题，特别适用于被测件的匹配不是很好的情况，提高了测试的准确度；采用的方法和矢量网络分析仪噪声接收机结合，提高了测试的动态范围，无论是小噪声系数和大噪声系数，都能应用本发明得到精确的测量；采用矢量网络分析仪测试被测件的增益：矢量网络分析仪通过端口对误差项的校准，得到最精确的被测件增益；采用噪声源对接收机进行表征：噪声源对接收机进行增益带宽积的表征，冷热两态通过公式求解使增益带宽积得到精确测量，并可以溯源到噪声源。

附图说明

图1为测试冷热两态的噪声功率示意图。

图2为连接各种校准件对矢量网络分析仪进行校准的示意图。

图3为测量被测件的S参数和级联噪声功率示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明提出一种基于矢量网络分析仪和噪声源的噪声系数测量方法，能够去除端口匹配对噪声系数测量造成的影响，并且将测量精度溯源至噪声源上。使用该方法测量的噪声系数动态范围可以从0dB到50dB，远远超过噪声仪和频谱仪的测量范围。

该方法需要配备噪声源，用作噪声功率测量的标准激励源，噪声源有一个校准的超噪比(Excess Noise Ratio)，定义为：

式中：ENR—噪声源的超噪比；

T_h—噪声源开时的等效输出噪声温度；

T_c—噪声源关时的等效输出噪声温度，一般等于环境温度；

T₀—标准噪声温度290K。

当环境温度不是标准噪声温度290K的时候，噪声源的ENR可以由下面的公式进行修正：

式中：ENR^CORR是校准过的超噪比。

测量过程包括校准和对被测件DUT的测量两个步骤。

校准又分为两个步骤：一是通过噪声源对矢量网络分析仪的噪声接收机进行校准，得到噪声接收机的增益带宽积和噪声系数；二是通过校准件对矢量网络分析仪的端口进行校准，便于精确测量DUT的增益。

下面对具体步骤和相关公式结合图片进行介绍。

步骤S1-1：将矢量网络分析仪接上噪声源，并开机预热30分钟；

步骤S1-2：打开矢量网络分析仪的噪声测量选项，首先设置好S参数测量所需的包括功率、中频带宽、扫描频率、扫描点数在内的参数；

步骤S1-3：打开噪声接收机的设置窗口，设置好噪声接收机的增益、噪声接收机的带宽和环境温度，并显示功率曲线和系统噪声功率；

步骤S1-4：将噪声源连接至端口2，通过矢量网络分析仪控制噪声源，分别测量得到冷热两态的噪声功率。

如图1所示：

计算公式如下：

P_C＝G_reckB(T_e+T_c) (9)；

P_h＝G_reckB(T_e+T_h) (10)；

式中：

G_rec—噪声接收机通道增益；

B—测量带宽；

T_e—噪声系数分析仪的等效输入噪声温度；

P_c—噪声源冷态的情况下噪声接收机测得的功率；

P_h—噪声源热态的情况下噪声接收机测得的功率；

k—1.38×10-23J/K，为玻耳兹曼常数；

校准后，由下面公式得到噪声接收机的增益带宽积KBG_rec、等效噪声温度T_e和噪声系数F_rec：

KBG_rec＝(P_h-P_c)/(T_h-T_c) (11)；

F_rec＝1+T_e/T₀ (13)；

步骤S1-5：使用校准件对矢量网络分析仪进行校准；如图2所示：

测量也分为两个步骤：一是得到DUT的S₂₁(实际应用下的增益)；二是得到级联情况下的噪声功率。得到这些数值后，主机即可通过公式得到DUT的噪声系数。具体包括如下步骤：

步骤S2-1：连接DUT，测出DUT的S₂₁参数，即得到DUT的增益；

步骤S2-2：噪声接收机测量得到噪声功率P_sys，即得到DUT级联噪声接收机状态下的噪声功率；

步骤S2-3：主机通过下列公式14-18，计算得到DUT的噪声系数。

如图3所示。

下面列出测量过程的公式：

P_sys＝kB(G_dut*G_rec)(Tsys+Tc) (14)；

F_dut＝F_sys-(F_rec-1)/G_dut (17)；

NF_dut＝10Log₁₀(F_dut) (18)；

式中：F_dut是被测件DUT的线性值,NF_dut是被测件的dB值。

本发明的关键点有如下几项：

(1)采用矢量网络分析仪测试被测件的增益：矢量网络分析仪通过端口对误差项的校准，得到最精确的被测件增益。

(2)采用噪声源对接收机进行表征：噪声源对接收机进行增益带宽积的表征，冷热两态通过公式求解使增益带宽积得到精确测量，并可以溯源到噪声源。

本发明的保护点有如下几项：

(1)基于矢量网络分析仪对端口匹配进行校准并应用于噪声系数测量的方法。

Y因子法是噪声源的冷热两态对接收机进行表征，而增益法的测量无法精确测量出增益。本发明的方法仅仅在测量DUT噪声系数时，仅采用冷态噪声，即噪声源关闭时候测得的噪声功率。使用矢量网络分析仪测量DUT的增益，采用公式14-17即可以计算出DUT的噪声系数。对矢量网络分析仪的校准，可以考虑到DUT和矢量网络分析仪端口的不匹配，给增益测量以最大的精度。本发明要保护的即是这种方法。

(2)基于噪声源对矢量网络分析仪噪声接收机进行表征的方法。

噪声接收机本身是有一定的噪声系数的，要想精确求得DUT的噪声系数必须将接收机对噪声的贡献去除。接收机本身的增益无法精确获得，所以通过噪声源获取它的增益带宽积是一个好办法。噪声源的冷热两态可以很好的表征接收机的增益带宽积。具体方法通过公式9-13实现。本发明要保护的即是这种方法。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于矢量网络分析仪和噪声源的噪声系数测试方法，其特征在于：噪声源有一个校准的超噪比，定义为：

式中：ENR—噪声源的超噪比；

T_h—噪声源开时的等效输出噪声温度；

T_c—噪声源关时的等效输出噪声温度；

T₀—标准噪声温度290K；

当环境温度不是标准噪声温度290K的时候，噪声源的ENR由公式(8)进行修正：

式中：ENR^CORR是校准过的超噪比；

基于矢量网络分析仪和噪声源的噪声系数测试方法，包括校准和对被测件DUT的测量两个过程；

校准过程分为两个步骤：一是通过噪声源对矢量网络分析仪的噪声接收机进行校准，得到噪声接收机的增益带宽积和噪声系数；二是通过校准件对矢量网络分析仪的端口进行校准；具体包括如下步骤：

步骤S1-1：将矢量网络分析仪接上噪声源，并开机预热30分钟；

步骤S1-2：打开矢量网络分析仪的噪声测量选项，首先设置好S参数测量所需的包括功率、中频带宽、扫描频率、扫描点数在内的参数；

步骤S1-3：打开噪声接收机的设置窗口，设置好噪声接收机的增益、噪声接收机的带宽和环境温度，并显示功率曲线和系统噪声功率；

步骤S1-4：将噪声源连接至端口2，通过矢量网络分析仪控制噪声源，分别测量得到冷热两态的噪声功率；

计算公式如下：

P_C＝G_reckB(T_e+T_c) (9)；

P_h＝G_reckB(T_e+T_h) (10)；

式中：

G_rec—噪声接收机通道增益；

B—测量带宽；

T_e—噪声系数分析仪的等效输入噪声温度；

P_c—噪声源冷态的情况下噪声接收机测得的功率；

P_h—噪声源热态的情况下噪声接收机测得的功率；

k—1.38×10^-23J/K，为玻耳兹曼常数；

校准后，由下面公式得到噪声接收机的增益带宽积KBG_rec、等效噪声温度T_e和噪声系数F_rec：

KBG_rec＝(P_h-P_c)/(T_h-T_c) (11)；

F_rec＝1+T_e/T₀ (13)；

步骤S1-5：使用校准件对矢量网络分析仪进行校准；

测量过程也分为两个步骤：一是通过测量得到DUT的S₂₁；二是通过测量得到级联情况下的噪声功率；具体包括如下步骤：

步骤S2-1：连接DUT，测出DUT的S₂₁参数，即得到DUT的增益；

步骤S2-2：噪声接收机测量得到噪声功率P_sys，即得到DUT级联噪声接收机状态下的噪声功率；

步骤S2-3：主机通过公式(14)-(18)，计算得到DUT的噪声系数；

由公式(14)噪声功率的求解，推导得到公式(15)的等效噪声温度T_sys；

P_sys＝kB(G_dut*G_rec)(Tsys+Tc) (14)；

由公式(16)，等效噪声温度的定义，得到级联的噪声系数；

由公式(17)-(18)，通过噪声系数的级联公式，得到DUT的噪声系数；

F_dut＝F_sys-(F_rec-1)/G_dut (17)；

NF_dut＝10Log₁₀(F_dut) (18)；

式中：

P_sys—噪声接收机在测试DUT状态下的噪声功率；

G_dut—DUT的增益，在这里等于DUT的S₂₁参数；

T_sys—测量DUT时，DUT和噪声接收机级联的等效噪声温度；

F_sys—测量DUT时，DUT和噪声接收机级联的噪声系数线性值；

F_dut—DUT噪声系数的线性值；

NF_dut—DUT噪声系数的dB值。