CN113376452A - 一种基于矢量网络分析仪的噪声源定标系统及定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于矢量网络分析仪的噪声源定标系统及定标方法，属于测试技术领域。本发明基于矢量网络分析仪校准后直接测量的方法，一次测量即可完成标定，简化了定标过程，降低了噪声源定标系统的定标难度；本发明通过引入冷源法测量噪声系数的原理和矢量网络分析仪的误差修正技术，消除了噪声源和定标设备彼此失配造成的误差，提高定标精度。

Description

一种基于矢量网络分析仪的噪声源定标系统及定标方法

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的噪声源定标系统及定标方法。

背景技术

噪声系数是衡量装备或元器件信噪比的主要参数，通常使用噪声系数分析仪进行测试，噪声系数分析仪采用Y因子法。测试时将噪声源连接到被测件的输入端口，噪声系数分析仪测试被测件在噪声源热态和冷态激励下输出的噪声功率，这两个噪声功率的比值称为Y因子，得到Y因子后再通过一定的计算和处理过程，就可以得到被测件的噪声系数。基于Y因子法的噪声系数测试精度主要取决于噪声源ENR标定值的准确度。噪声源采用雪崩二极管制成，可以在一定频带内产生冷态噪声和热态噪声。噪声源使用前，必须提前进行标定。传统的标定方法是采用高精度的噪声源作为基准噪声源，噪声系数分析仪使用基准噪声源校准后，测量待测噪声源的冷热两态噪声功率，计算得出噪声源的超噪比数据，完成标定。由于此种方法无法去除端口匹配的影响，标定时存在失配误差。

传统的噪声源定标方法使用的设备包括基准噪声源、待测噪声源和噪声系数分析仪，定标装置如图1所示。

噪声源定标的数据称为ENR(超噪比)，定义如下：

等式(1)中，T_h称为噪声源在源开状态下的等效热噪声温度，单位为K(开尔文)，T_c为噪声源在源关状态的等效冷噪声温度，单位为K(开尔文)，数值等于噪声源所处的环境开氏温度，T₀称为标准噪声温度，等于290K。

传统的噪声源定标系统组成如图1所示，由基准噪声源、待测噪声源和噪声系数分析仪组成。整个定标过程如下：

(1)连接基准噪声源到噪声系数分析仪测试端口，设置分析仪工作在某一个频率下；

(2)关闭噪声源输出，测量基准噪声源冷噪声功率

(3)打开噪声源输出，测量基准噪声源热噪声功率

(4)计算基准噪声源的Y因子，计算公式为：

(5)噪声系数分析仪测量得出的冷热两态的噪声功率与噪声接收机等效噪声温度T_rec的关系可由下式给出：

等式中，K为玻尔兹曼常数(1.38065*10^-23J/K),B为噪声接收机的中频带宽，G_rec为噪声接收机增益。

为基准噪声源的等效热噪声功率，

是基准噪声源的等效冷噪声功率。

(6)联立公式(2)、公式(3)和公式(4)，可得出Y因子的简化公式：

从噪声系数的定义可以得出噪声系数分析仪接收机噪声系数NF的计算公式：

公式(6)中T_e为等效噪声温度，在此处特指噪声接收机的等效噪声温度T_rec。联立公式(5)和公式(6)可得噪声接收机的噪声系数：

对于噪声源来说

因此，噪声系数分析仪接收机的NF可以简化为：

(7)连接待测噪声源到噪声系数分析仪测试端口，分别测出待测噪声源关断状态的冷噪声功率

和打开状态的热噪声功率

进而计算出待测噪声源的Y因子：

(8)由公式(8)可计算出连接待测噪声源时，噪声系数分析仪接收机的NF：

(9)由于噪声接收机的噪声系数不论接哪个噪声源都不会发生变化，所以公式(8)和公式(10)相等，进而可以推出待测噪声源的ENR：

公式(10)中，ENR_s即为待测噪声源在定标频点的超噪比数据，至此完成待测噪声源在定标频点的定标。

(10)设置噪声系数分析仪的测量接收频率为噪声源的下一个定标频率，重复步骤(1)～步骤(9)，完成噪声源所有待定标频点的定标。

噪声系数分析仪定标系统主要缺点是：噪声系数分析仪由于其固有的反射系数，在定标过程中，必然引入噪声系数分析仪和噪声源失配误差，Y因子法的测量原理决定了此种定标方法无法消除此失配误差。

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的噪声源定标系统及定标方法，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的噪声源定标系统，包括矢量网络分析仪和基准噪声源；矢量网络分析仪的28V输出接口与基准噪声源的供电输入端口连接，网络仪的测试端口与基准噪声源的输出端口连接；

矢量网络分析仪，被配置为用于测试被测噪声源的S参数和噪声功率；

基准噪声源，被配置为用于作为噪声功率的参考基准源。

此外，本发明还提到一种基于矢量网络分析仪的噪声源定标方法，该方法采用如上所述的基于矢量网络分析仪的噪声源定标系统，包括如下步骤：

步骤1：连接基准噪声源到矢量网络分析仪上，预热30分钟；

步骤2：切换矢量网络分析仪到噪声测量通道，设置矢量网络分析仪的频率范围、点数和中频带宽；

步骤3：打开噪声设置界面，设置增益、噪声中频带宽和环境温度参数；

步骤4：矢量网络分析仪选择SOLT校准方法，使用机械校准件进行矢量网络分析仪的常规双端口S参数校准；

步骤5：将基准噪声源连接到矢量网络分析仪的第二端口，通过矢量网络分析仪控制基准噪声源工作在关断状态，记录下基准噪声源冷态噪声功率N₁和反射系数Γ_s1＝S22，此时对应的输入等噪声温度为T₁＝T₀，将数值带入公式(15)，获得方程式1；

其中，Z₀是系统的特性阻抗(一般为50欧姆)，K为玻尔兹曼常数，B为噪声接收机带宽，G_rec为噪声接收机的增益，BG_rec合起来称为噪声接收机的增益带宽积；

噪声功率N和源反射系数Γ_s能够直接测量，T_in为输入到矢量网络分析仪端口处的等效噪声温度，T_in分为两种情况，冷源下为290K，热源下通过基准噪声源的ENR数据计算得出；F_min为最小噪声系数；Γ_opt为最优源反射系数，T₀称为标准噪声温度，等于290K；

步骤6：将基准噪声源连接到矢量网络分析仪的第二端口，通过矢量网络分析仪控制基准噪声源工作在打开状态，记录下基准噪声源热态噪声功率N₂和反射系数

是矢量网络分析仪测得的噪声源的反射系数；此时对应的输入等噪声温度为T₂表示为：

T₂＝ENR*T₀+T₀ (16)；

将数值带入公式(15)，获得方程式2；

步骤7：连接机械校准件中的开路器到矢量网络分析仪的第二端口，记录开路器对应的接收机噪声功率为N₃和反射系数

此时对应的输入等噪声温度T₃＝T₀，将数值带入公式(15)，获得方程式3；

步骤8：连接机械校准件中的短路器到矢量网络分析仪的第二端口，记录开路器对应的接收机噪声功率为N₄和反射系数

此时对应的输入等噪声温度T₄＝T₀，将数值带入公式(15)，获得方程式4；

步骤9：连接机械校准件中的负载到矢量网络分析仪的第二端口，记录开路器对应的接收机噪声功率为N₅和反射系数

此时对应的输入等噪声温度T₅＝T₀，将数值带入公式(15)，获得方程式5；

步骤10：矢量网络分析仪的第一端口和矢量网络分析仪的第二端口直连，记录直通对应的接收机噪声功率为N₆，此时对应的输入等噪声温度T₆＝T₀，将数值带入公式(15)，获得方程式6；

步骤11：联立方程1～方程6，采用最小二乘法求解方程，最终求出BG_rec、F_min、Γ_opt的实部、Γ_opt的虚部和R_n五个未知项；

步骤12：连接待测噪声源到矢量网络分析仪的第二端口，测量得到待测噪声源本身的反射系数

即噪声源的S22和噪声功率，噪声功率用以下等式表示：

其中，N_s直接测量得到，K为玻尔兹曼常数，BG_rec为上面求解得到的未知项，因此，只需要得出

就能够求解待测噪声源的T_h；根据公式(14)定义：

噪声接收机噪声系数

由噪声参数计算公式获得；

于是，通过公式(20)计算出T_h：

步骤13：T_c取环境温度，将式(20)带入式(1)，即求得待测噪声源的ENR值，噪声源的整个定标过程结束。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明基于矢量网络分析仪校准后直接测量的方法，一次测量即可完成标定，简化了定标过程，降低了噪声源定标系统的定标难度。

本发明通过引入冷源法测量噪声系数的原理和矢量网络分析仪的误差修正技术，消除了噪声源和定标设备彼此失配造成的误差，提高定标精度。

附图说明

图1为噪声系数分析仪定标装置示意图。

图2为基于矢量网络分析仪的定标系统示意图。

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：

如图2所示，本发明提出的噪声源定标系统由矢量网络分析仪和基准噪声源构成，首先进行矢量网络分析仪的校准和网络仪噪声接收机的标定，然后，直接测试噪声源的热态噪声功率，通过计算可得出待测噪声源的ENR。

为了解决噪声源和网络分析仪测试端口之前存在的失配问题，需要考虑噪声参数的影响。电子器件内部产生的噪声会从输入端口向源端口传输，由于不理想的系统源匹配被反射回输入端口，反射回来的噪声会使器件的噪声系数发生变化，变化的大小取决于反射的噪声和器件内部各种噪声的相关性，因此器件的噪声系数会随着源阻抗的变化而变化。对于一个二端口网络，其噪声系数和源端的反射系数Γ_s有关，在某源端阻抗对应的反射系数下，其噪声系数最小，这个噪声系数称为最小噪声系数F_min，最小噪声系数是标量；此时对应的源阻抗反射系数称为最优源反射系数Γ_opt，最优源反射系数是一个矢量，包含实部和虚部信息，或者说包含幅度和相位信息。当源反射系数偏离最优源反射系数时，二端口网络的噪声系数就会恶化，形成一系列等噪声系数圆，噪声系数恶化的速度与网络的噪声电阻R_n这个参数有关，为了保证最终的噪声系数设计指标，必须将源端阻抗匹配到某一等噪声系数圆对应的区域内。最小噪声系数、最优源反射系数和噪声电阻称为噪声参数，为了对二端口网络的噪声特性进行精确建模，为设计提供指导，必须抽取二端口网络的噪声参数信息。噪声参数对噪声系数的影响可由公式(12)给出。

式中，Z₀是系统的特性阻抗，一般为50欧姆。将输入到网络仪接收机端口处的等效噪声温度定义为T_in，接收机处接收到的噪声功率可以表示为：

N＝KBG_rec(T_in+T_rec) (13)

T_rec＝(F_rec-1)*T₀ (14)

公式(15)中，K为玻尔兹曼常数，噪声功率N和源反射系数Γ_s可以直接测量，T_in分为两种情况，冷源下为290K，热源下可以通过基准噪声源的ENR数据计算得出。公式(15)中的未知数有BG_rec、F_min、Γ_opt的实部、Γ_opt的虚部和R_n五项，只需要联立至少五个方程就可求解出这五项未知数。

具体标定方法如下：

步骤1：连接基准噪声源到矢量网络分析仪上，预热30分钟；

步骤2：切换矢量网络分析仪到噪声测量通道，设置矢量网络分析仪的频率范围、点数和中频带宽；

步骤3：打开噪声设置界面，设置增益、噪声中频带宽和环境温度参数；

步骤4：矢量网络分析仪选择SOLT校准方法，使用机械校准件进行矢量网络分析仪的常规双端口S参数校准；

步骤5：将基准噪声源连接到矢量网络分析仪的第二端口，通过矢量网络分析仪控制基准噪声源工作在关断状态，记录下基准噪声源冷态噪声功率N₁和反射系数

此时对应的输入等噪声温度为T₁＝T₀，将数值带入公式(15)，获得方程式1；

其中，Z₀是系统的特性阻抗(一般为50欧姆)，K为玻尔兹曼常数，B为噪声接收机带宽，G_rec为噪声接收机的增益，BG_rec合起来称为噪声接收机的增益带宽积。

噪声功率N和源反射系数Γ_s能够直接测量，T_in为输入到矢量网络分析仪端口处的等效噪声温度，T_in分为两种情况，冷源下为290K，热源下通过基准噪声源的ENR数据计算得出；F_min为最小噪声系数；Γ_opt为最优源反射系数，T₀称为标准噪声温度，等于290K。

步骤6：将基准噪声源连接到矢量网络分析仪的第二端口，通过矢量网络分析仪控制基准噪声源工作在打开状态，记录下基准噪声源热态噪声功率N₂和反射系数

此时对应的输入等噪声温度为T₂表示为：

T₂＝ENR*T₀+T₀ (16)；

将数值带入公式(15)，获得方程式2；

步骤7：连接机械校准件中的开路器到矢量网络分析仪的第二端口，记录开路器对应的接收机噪声功率为N₃和反射系数

此时对应的输入等噪声温度T₃＝T₀，将数值带入公式(15)，获得方程式3；

步骤8：连接机械校准件中的短路器到矢量网络分析仪的第二端口，记录开路器对应的接收机噪声功率为N₄和反射系数

此时对应的输入等噪声温度T₄＝T₀，将数值带入公式(15)，获得方程式4；

步骤9：连接机械校准件中的负载到矢量网络分析仪的第二端口，记录开路器对应的接收机噪声功率为N₅和反射系数

此时对应的输入等噪声温度T₅＝T₀，将数值带入公式(15)，获得方程式5；

步骤10：矢量网络分析仪的第一端口和矢量网络分析仪的第二端口直连，记录直通对应的接收机噪声功率为N₆，此时对应的输入等噪声温度T₆＝T₀，将数值带入公式(15)，获得方程式6；

步骤11：联立方程1～方程6，采用最小二乘法求解方程，最终求出BG_rec、F_min、Γ_opt的实部、Γ_opt的虚部和R_n五个未知项；

步骤12：连接待测噪声源到矢量网络分析仪的第二端口，测量得到待测噪声源本身的反射系数

即噪声源的S22和噪声功率，噪声功率用以下等式表示：

其中，N_s直接测量得到，K为玻尔兹曼常数，BG_rec为上面求解得到的未知项，因此，只需要得出

就能够求解待测噪声源的T_h；根据公式(14)定义：

噪声接收机噪声系数

由噪声参数计算公式获得；

于是，通过公式(20)计算出T_h：

步骤13：T_c取环境温度，将式(20)带入式(1)，即求得待测噪声源的ENR值，噪声源的整个定标过程结束。

方法创新：与使用噪声系数分析仪标定噪声源方法不同，本发明提出了一种基于矢量网络分析仪的噪声源定标系统，基于冷源法，使用矢量网络分析仪直接测量噪声源的ENR。

技术创新：创新性地融合矢量网络分析仪的校准技术、冷源法噪声系数测量技术，在深刻理解矢量网络分析仪校准原理的基础上，实现了矢量网络分析仪测量噪声源ENR的功能。

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 (2)

1.一种基于矢量网络分析仪的噪声源定标系统，其特征在于：包括矢量网络分析仪和基准噪声源；矢量网络分析仪的28V输出接口与基准噪声源的供电输入端口连接，网络仪的测试端口与基准噪声源的输出端口连接；

矢量网络分析仪，被配置为用于测试被测噪声源的S参数和噪声功率；

基准噪声源，被配置为用于作为噪声功率的参考基准源。

2.一种基于矢量网络分析仪的噪声源定标方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的基于矢量网络分析仪的噪声源定标系统，包括如下步骤：

步骤1：连接基准噪声源到矢量网络分析仪上，预热30分钟；

步骤2：切换矢量网络分析仪到噪声测量通道，设置矢量网络分析仪的频率范围、点数和中频带宽；

步骤3：打开噪声设置界面，设置增益、噪声中频带宽和环境温度参数；

步骤4：矢量网络分析仪选择SOLT校准方法，使用机械校准件进行矢量网络分析仪的常规双端口S参数校准；

步骤5：将基准噪声源连接到矢量网络分析仪的第二端口，通过矢量网络分析仪控制基准噪声源工作在关断状态，记录下基准噪声源冷态噪声功率N₁和反射系数

此时对应的输入等噪声温度为T₁＝T₀，将数值带入公式(15)，获得方程式1；

其中，Z₀是系统的特性阻抗(一般为50欧姆)，K为玻尔兹曼常数，B为噪声接收机带宽，G_rec为噪声接收机的增益，BG_rec合起来称为噪声接收机的增益带宽积；

噪声功率N和源反射系数Γ_s能够直接测量，T_in为输入到矢量网络分析仪端口处的等效噪声温度，T_in分为两种情况，冷源下为290K，热源下通过基准噪声源的ENR数据计算得出；F_min为最小噪声系数；Γ_opt为最优源反射系数，T₀称为标准噪声温度，等于290K；

步骤6：将基准噪声源连接到矢量网络分析仪的第二端口，通过矢量网络分析仪控制基准噪声源工作在打开状态，记录下基准噪声源热态噪声功率N₂和反射系数

S22是矢量网络分析仪测得的噪声源的反射系数；此时对应的输入等噪声温度为T₂表示为：

T₂＝ENR*T₀+T₀ (16)；

将数值带入公式(15)，获得方程式2；

步骤7：连接机械校准件中的开路器到矢量网络分析仪的第二端口，记录开路器对应的接收机噪声功率为N₃和反射系数

此时对应的输入等噪声温度T₃＝T₀，将数值带入公式(15)，获得方程式3；

步骤8：连接机械校准件中的短路器到矢量网络分析仪的第二端口，记录开路器对应的接收机噪声功率为N₄和反射系数

此时对应的输入等噪声温度T₄＝T₀，将数值带入公式(15)，获得方程式4；

步骤9：连接机械校准件中的负载到矢量网络分析仪的第二端口，记录开路器对应的接收机噪声功率为N₅和反射系数

此时对应的输入等噪声温度T₅＝T₀，将数值带入公式(15)，获得方程式5；

步骤10：矢量网络分析仪的第一端口和矢量网络分析仪的第二端口直连，记录直通对应的接收机噪声功率为N₆，此时对应的输入等噪声温度T₆＝T₀，将数值带入公式(15)，获得方程式6；

步骤11：联立方程1～方程6，采用最小二乘法求解方程，最终求出BG_rec、F_min、Γ_opt的实部、Γ_opt的虚部和R_n五个未知项；

步骤12：连接待测噪声源到矢量网络分析仪的第二端口，测量得到待测噪声源本身的反射系数

即噪声源的S22和噪声功率，噪声功率用以下等式表示：

其中，N_s直接测量得到，K为玻尔兹曼常数，BG_rec为上面求解得到的未知项，因此，只需要得出

就能够求解待测噪声源的T_h；根据公式(14)定义：

噪声接收机噪声系数

由噪声参数计算公式获得；

于是，通过公式(20)计算出T_h：

步骤13：T_c取环境温度，将式(20)带入式(1)，即求得待测噪声源的ENR值，噪声源的整个定标过程结束。

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