CN110763977B - 一种定量测量评估噪声测试系统精度的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定量测量评估噪声测试系统精度的系统及方法，包括测控模块、算法模块、处理分析模块；测控模块测出相应数据，并由算法模块进行测量评估，处理分析模块根据算法模块的测量评估生成测量评估报告；本发明提供一种具有全频段测量评估功能，可根据具体需求对噪声测试系统的任意测试频段进行选择性精度测量评估，并且可以定量地计算出对应频段内噪声测试系统的测试精度。

Description

一种定量测量评估噪声测试系统精度的系统及方法

技术领域

本发明专利涉及芯片及模块电性能测试领域，具体的说是一种用于定量测量评估噪声测试系统精度的系统及方法。

背景技术

噪声系数是衡量低噪声放大器和接收机性能的主要参数。目前，通用的噪声测试方法根据测试原理的不同可分为基于噪声系数分析仪的Y因子法和基于矢量网络分析仪的冷源法；根据是否考虑端口失匹对噪声系数的影响可分为标量法和矢量法。无论采用何种噪声测试方法，在测量被测件之前，测量评估噪声测试系统精度有着重要意义，不仅可以验证噪声测试精度是否满足测试要求，还可以使得所测得的被测件噪声数据更具说服力。尤其在大规模批量芯片及模块噪声系数测试中，准确测量评估噪声测试系统至关重要。

常规测量评估噪声测试系统的方法是通过测量一个衰减器，以其噪声系数与插入损耗测试值的差值评价噪声测试系统的测试精度。但是，受噪声测试系统中非零误差现象的影响，此方法在实际使用中的测量评估结果并不准确，只能勉强在较低频段范围内定性地给出判断，在射频微波及毫米波频段无法准确、定量地做出测量评估，无法适应于如今射频微波及毫米波频段的噪声测试系统精度的测量评估及验证需求。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种用于定量测量评估噪声测试系统精度的系统及方法。该系统及方法具有全频段测量评估功能，可根据具体需求对噪声测试系统的任意测试频段进行选择性精度测量评估，并且可以定量地计算出对应频段内噪声测试系统的测试精度。该系统具有高可靠性、高准确性、高重复性和低成本特性，且满足通用性要求。

本发明的技术方案如下：

一种定量测量评估噪声测试系统精度的系统，包括测控模块、算法模块、处理分析模块；测控模块测出相应数据，并由算法模块进行测量评估，处理分析模块根据算法模块的测量评估生成测量评估报告；

测控模块中核心器件包括定值衰减器和低噪声放大器，辅助器件包括矢量网络分析仪、矩阵开关、同轴校准件、噪声源、功率计探头、射频缆线、转接头、扭力扳手；

定值衰减器，提供几乎不随时间变化的无源器件射频特性；

低噪声放大器，提供增益特性，压制噪声测试系统中非零误差影响；

矢量网络分析仪，用于对定值衰减器的插入损耗测试；

矩阵开关，用于切换测试仪器及被测链路；

同轴校准件，用于矢量网络分析仪的S参数校准；

噪声源，若噪声测试方法为Y因子法或冷源法时，其用于提供稳定的噪声功率；

功率计探头，用于矢量网络分析仪的源功率校准；

射频缆线，提供射频信号可靠传输路径；

转接头，保证不同类型的转接头可以相互转接；

扭力扳手，保证各接口连接处物理匹配良好；

定量测量评估噪声测试系统精度的系统首先调用测控模块。测控模块中的射频缆线实现信号的传输，转接头完成模块中不同接口类型间的转换，由矩阵开关实现对矢量网络分析仪测试链路与噪声测试系统测试链路之间的切换。若切换至矢量网络分析仪测试链路，则将进行定值衰减器插入损耗测试，衰减器的插入损耗测试值将作为噪声测试系统定量测量评估的参考依据。若切换至噪声测试系统链路，则将基于噪声测试系统分别进行单一低噪声放大器的噪声系数测试，以及定值衰减器级联低噪声放大器结构整体的噪声系数测试，以上两组噪声测试结果将被用于定值衰减器插入损耗的提取，结合其与定值衰减器插入损耗测试值的差值，定量评估噪声测试系统的测试精度。测控模块作为顶层模块，在完成测量工作后会将测量所得的定值衰减器插入损耗数据，单一低噪声放大器噪声系数数据以及定值衰减器级联低噪声放大器结构的整体噪声系数数据传输至下一级的算法模块。

定量测量评估噪声测试系统精度的系统然后调用算法模块，算法模块结合测量所得的定值衰减器插入损耗数据、单一低噪声放大器噪声系数数据以及定值衰减器级联低噪声放大器结构的整体噪声系数数据，计算出噪声测试系统精度的测量评估结果，并将测量评估结果传输至处理分析模块；

定量测量评估噪声测试系统精度的系统最后调用处理分析模块，处理分析模块根据噪声测试系统精度的测量评估结果，自动生成测量评估报告。

一种定量测量评估噪声测试系统精度的方法，具体包括如下步骤：

101)预处理步骤：选定合适的噪声测试测量评估频段，确保所使用测试模块中定值衰减器、低噪声放大器、矢量网络分析仪、矩阵开关、同轴校准件、噪声源、功率计探头、射频缆线、转接头、扭力扳手，均可在以上测量评估频段内正常工作；

102)两次噪声系数测试步骤：第一次直接对低噪声放大器进行噪声测试，第二次对衰减器级联的低噪声放大器组成的整体进行噪声测试；两次噪声测试结果与插入损耗测试值的差值，来定量测量评估噪声测试系统的测试精度；

103)生成评估报告步骤：处理分析模块根据步骤102)的结果，自动生成测量评估报告。

进一步的，步骤102)中对低噪声放大器和定值衰减器级联低噪声放大器的两次噪声测试结果是基于待测量评估的噪声测试系统，而第二次对定值衰减器级联低噪声放大器的插入损耗测试值还包括基于完成用户校准后的矢量网络分析仪。

进一步的，步骤102)中以第一次计算获得的定值衰减器插入损耗提取值与第二次同一衰减器基于矢量网络分析仪的插入损耗测试值间的差值，来定量测量评估噪声测试系统的测试精度。

进一步的，衰减器级联低噪声放大器的整体噪声系数公式如下：

式中，NF_total为衰减器级联低噪声放大器的整体噪声系数；S_i为输入信号功率；N_i为输入噪声功率；G_att为衰减器增益因子；G_LNA为低噪声放大器增益因子；N_o为输出噪声功率；

单一低噪声放大器的噪声系数公式如下：

式中，NF_LNA为低噪声放大器的噪声系数；

由公式(1)和公式(2)，能得到衰减器的插入损耗为：

式中，IL_att ^*为衰减器的插入损耗提取值；

将衰减器插入损耗与由矢量网络分析仪测得的衰减器插入损耗测试值作差，得到噪声测试系统精度的测量评估值；

τ＝IL_att-IL_att ^* 公式(4)

式中，IL_att为衰减器的插入损耗测试值；τ为噪声测试系统精度的测量评估值。

本发明相比现有技术优点在于：本发明提供了一种用于噪声测试系统精度定量测量评估的方法。该测量评估系统消除了系统非零误差对噪声测试结果的不利影响，并借助无源器件理论上插入损耗等于噪声系数的射频特性作为理论依据，定量地计算出噪声测试系统的测试精度。

此外，本发明系统集成了测控模块、算法模块、处理分析模块，大大降低了测量评估的操作复杂度，同时提高了执行效率。

附图说明

图1是本发明系统模块化结构图；

图2是本发明的系统框图；

图3是本发明的系统执行流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明而不能作为对本发明的限制。

需说明的是，本发明中提到的“全频段”测量评估及验证能力，指的是本发明的定量测量评估噪声测试系统精度的系统可对任意测试频段使用。这依赖于噪声测试仪器、低噪声放大器等系统各组成部分的工作频段。若实际没有能覆盖很宽频率范围的宽带低噪声放大器，可以通过多个不同工作频段的低噪声放大器进行分段测量评估，最终亦可达到对噪声测试系统任意测试频段的精度定量测量评估。本系统中使用的衰减器、低噪声放大器等系统链路组成部分，均需要满足输入输出端口匹配良好的条件。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1至图3所示，一种定量测量评估噪声测试系统精度的系统及方法，包括测控模块、算法模块、处理分析模块；测控模块测出相应数据，并由算法模块进行测量评估，处理分析模块根据算法模块的测量评估生成测量评估报告；即测控模块用于测试仪器、链路的切换，算法模块用于计算待测量评估的噪声测试系统的精度，处理分析模块用于数据处理、分析、自动生成测量评估报告。具体如下：

测控模块中核心器件包括定值衰减器和低噪声放大器，辅助器件包括矢量网络分析仪、矩阵开关、同轴校准件、噪声源、功率计探头、射频缆线、转接头、扭力扳手；其中低噪声放大器后置于衰减器，可有效排除因低噪声放大器静态工作点波动对噪声测试系统精度测量评估结果的不利影响，真正实现了对噪声测试系统的精确、定量测量评估。

其中定值衰减器，提供几乎不随时间变化的无源器件射频特性；

低噪声放大器，提供增益特性，压制噪声测试系统中非零误差影响；

矢量网络分析仪，用于对定值衰减器的插入损耗测试；

矩阵开关，用于切换测试仪器及被测链路；

同轴校准件，用于矢量网络分析仪的S参数校准；

噪声源，若噪声测试方法为Y因子法或冷源法时，其用于提供稳定的噪声功率；

功率计探头，用于矢量网络分析仪的源功率校准；

射频缆线，提供射频信号可靠传输路径；

转接头，保证不同类型的转接头可以相互转接；

扭力扳手，保证各接口连接处物理匹配良好；

测控模块通过矩阵开关分别实现对定值衰减器插入损耗测试链路、定值衰减器级联低噪声放大器噪声测试链路、单一低噪声放大器噪声测试链路的切换控制，并以此快速高效地完成对定值衰减器插入损耗、定值衰减器级联低噪声放大器整体的噪声系数以及单一低噪声放大器的噪声系数的自动测量。测控模块作为顶层模块，在完成测量工作后将测试数据传递至下一级的算法模块。

算法模块，实现对噪声测试系统精度的测量评估，计算出噪声测试系统精度的测量评估结果，将测量评估结果传递至处理分析模块；

处理分析模块，根据噪声测试系统精度的测量评估结果，自动生成测量评估报告。

其中具体的，定量测量评估噪声测试系统精度的系统首先调用测控模块。测控模块中的射频缆线实现信号的传输，转接头完成模块中不同接口类型间的转换，由矩阵开关实现对矢量网络分析仪测试链路与噪声测试系统测试链路之间的切换。若切换至矢量网络分析仪测试链路，则将进行定值衰减器插入损耗测试，衰减器的插入损耗测试值将作为噪声测试系统定量测量评估的参考依据。若切换至噪声测试系统链路，则将基于噪声测试系统分别进行单一低噪声放大器的噪声系数测试，以及定值衰减器级联低噪声放大器结构整体的噪声系数测试，以上两组噪声测试结果将被用于定值衰减器插入损耗的提取，结合其与定值衰减器插入损耗测试值的差值，定量评估噪声测试系统的测试精度。测控模块作为顶层模块，在完成测量工作后会将测量所得的定值衰减器插入损耗数据，单一低噪声放大器噪声系数数据以及定值衰减器级联低噪声放大器结构的整体噪声系数数据传输至下一级的算法模块。

定量测量评估噪声测试系统精度的系统然后调用算法模块，算法模块结合测量所得的定值衰减器插入损耗数据、单一低噪声放大器噪声系数数据以及定值衰减器级联低噪声放大器结构的整体噪声系数数据，计算出噪声测试系统精度的测量评估结果，并将测量评估结果传输至处理分析模块；

定量测量评估噪声测试系统精度的系统最后调用处理分析模块，处理分析模块根据噪声测试系统精度的测量评估结果，自动生成测量评估报告。

一种定量测量评估噪声测试系统精度的方法，具体包括如下步骤：

101)预处理步骤：选定合适的噪声测试测量评估频段，确保所使用测试模块中定值衰减器、低噪声放大器、矢量网络分析仪、矩阵开关、同轴校准件、噪声源、功率计探头、射频缆线、转接头、扭力扳手，均可在以上测量评估频段内正常工作；

102)两次噪声系数测试步骤：第一次直接对低噪声放大器进行噪声测试，第二次对衰减器级联的低噪声放大器组成的整体进行噪声测试。这两次噪声的测试结果因被测链路始终具有较高增益，可消除系统非零误差对噪声测试结果的影响，确保以上两次噪声测试结果的准确性。

两次噪声测试结果中插入损耗测试值的差值，来定量测量评估噪声测试系统的测试精度。具体的，第一次计算获得的定值衰减器插入损耗提取值与第二次同一衰减器基于矢量网络分析仪的插入损耗测试值间的差值，来定量测量评估噪声测试系统的测试精度。其中采用低噪声放大器和定值衰减器级联低噪声放大器的两次噪声测试结果是基于待测量评估的噪声测试系统，而第二次对定值衰减器级联低噪声放大器的插入损耗测试值还包括基于完成用户校准后的矢量网络分析仪。矢量网络分析仪要进行S参数校准，再完成对衰减器的插入损耗测试。而衰减器插入损耗的测试之所以选择基于矢量网络分析仪，是因为基于矢量网络分析仪的插入损耗指标测试是目前最为精确的插入损耗测试方案。

完成对衰减器级联低噪声放大器的整体噪声系数噪声测试、单一低噪声放大器噪声测试后，都需要计算提取级联系统中前置衰减器的插入损耗。根据噪声系数定义式推导，衰减器级联低噪声放大器的整体噪声系数公式如下：

式中，NF_total为衰减器级联低噪声放大器的整体噪声系数；S_i为输入信号功率；N_i为输入噪声功率；G_att为衰减器增益因子；G_LNA为低噪声放大器增益因子；N_o为输出噪声功率。

同理，单一低噪声放大器的噪声系数公式如下：

式中，NF_LNA为低噪声放大器的噪声系数；

由公式(1)和公式(2)，得到衰减器的插入损耗为：

式中，IL_att ^*为衰减器的插入损耗提取值；

将衰减器插入损耗与由矢量网络分析仪测得的衰减器插入损耗测试值作差，得到噪声测试系统精度的测量评估值，公示如下；

τ＝IL_att-IL_att ^* 公式(4)

式中，IL_att为衰减器的插入损耗测试值；τ为噪声测试系统精度的测量评估值。实现了对噪声测试系统精度的定量测量评估。

103)生成评估报告步骤：处理分析模块根据步骤102)的结果，自动生成测量评估报告。

综上，以基于噪声系数分析仪Y因子法的待测量评估噪声测试系统进行说明。

首先根据用户需求选定合适的噪声测试测量评估频段，如需测量评估在100MHz～40GHz测试频段内的噪声测试系统精度，需确保所使用噪声系数分析仪、噪声源、低噪声放大器等系统组成部分均可在以上频段内正常工作。

然后，需对矢量网络分析仪进行S参数校准，使得插入损耗测试具备较高准确度，完成对衰减器的插入损耗测试。基于待测量评估的噪声测试系统完成对单一低噪声放大器、衰减器级联低噪声放大器的噪声测试。

最后，利用噪声系数直减法提取衰减器级联低噪声放大器系统中前置衰减器的插入损耗，用以与其插入损耗测试值的对比，定量地计算出噪声测试系统的测试精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。

Claims (4)

1.一种定量测量评估噪声测试系统精度的系统，其特征在于，包括测控模块、算法模块、处理分析模块；测控模块测出相应数据，并由算法模块进行测量评估，处理分析模块根据算法模块的测量评估生成测量评估报告；

测控模块中核心器件包括定值衰减器和低噪声放大器，辅助器件包括矢量网络分析仪、矩阵开关、同轴校准件、噪声源、功率计探头、射频缆线、转接头、扭力扳手；

定值衰减器，提供不随时间变化的无源器件射频特性；

低噪声放大器，提供增益特性，压制噪声测试系统中非零误差影响；

矢量网络分析仪，用于对定值衰减器的插入损耗测试；

矩阵开关，用于切换测试仪器及被测链路；

同轴校准件，用于矢量网络分析仪的S参数校准；

噪声源，若噪声测试方法为Y因子法或冷源法时，其用于提供稳定的噪声功率；

功率计探头，用于矢量网络分析仪的源功率校准；

射频缆线，提供射频信号可靠传输路径；

转接头，保证不同类型的转接头可以相互转接；

扭力扳手，保证各接口连接处物理匹配良好；

算法模块，实现对噪声测试系统精度的测量评估，计算出噪声测试系统精度的测量评估结果；

处理分析模块，根据噪声测试系统精度的测量评估结果，自动生成测量评估报告；具体包括如下步骤：

101)预处理步骤：选定合适的噪声测试测量评估频段，确保所使用测控模块中定值衰减器、低噪声放大器、矢量网络分析仪、矩阵开关、同轴校准件、噪声源、功率计探头、射频缆线、转接头、扭力扳手，均可在以上测量评估频段内正常工作；

102)两次噪声系数测试步骤：第一次直接对低噪声放大器进行噪声测试，第二次对定值衰减器级联低噪声放大器组成的整体进行噪声测试；从这两次噪声测试结果中提取定值衰减器的插入损耗，并以其与由矢量网络分析仪测得的插入损耗直接测试值间的差值，定量测量评估噪声测试系统的测试精度；

103)生成评估报告步骤：处理分析模块根据步骤102)的结果，自动生成测量评估报告。

2.根据权利要求1所述的一种定量测量评估噪声测试系统精度的系统，其特征在于：步骤102)中对低噪声放大器和定值衰减器级联低噪声放大器的两次噪声测试结果是基于待测量评估的噪声测试系统，而第二次对定值衰减器级联低噪声放大器的插入损耗测试值还包括基于完成用户校准后的矢量网络分析仪。

3.根据权利要求2所 述的一种定量测量评估噪声测试系统精度的系统，其特征在于：步骤102)中第一次计算还获得定值衰减器插入损耗提取值，定值衰减器插入损耗提取值与第二次同一衰减器基于矢量网络分析仪的插入损耗测试值间的差值，来定量测量评估噪声测试系统的测试精度。

4.根据权利要求3所述的一种定量测量评估噪声测试系统精度的系统，其特征在于：定值衰减器级联低噪声放大器的整体噪声系数公式如下：

式中，NF_total为定值衰减器级联低噪声放大器的整体噪声系数；S_i为输入信号功率；N_i为输入噪声功率；G_att为衰减器增益因子；G_LNA为低噪声放大器增益因子；N_o为输出噪声功率；

单一低噪声放大器的噪声系数公式如下：

式中，NF_LNA为低噪声放大器的噪声系数；

由公式(1)和公式(2)，能得到定值衰减器的插入损耗为：

式中，IL_att ^*为定值衰减器的插入损耗提取值；

将定值衰减器插入损耗提取值与由矢量网络分析仪测得的定值衰减器插入损耗测试值作差，得到噪声测试系统精度的测量评估值；

τ＝IL_att-IL_att ^* 公式(4)

式中，IL_att为定值衰减器的插入损耗测试值；τ为噪声测试系统精度的测量评估值。

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