DE4122189C2

DE4122189C2 - Method and arrangement for determining the noise figure of electronic measurement objects

Info

Publication number: DE4122189C2
Application number: DE19914122189
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl Ing Boss
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 1991-06-27
Filing date: 1991-06-27
Publication date: 1993-10-07
Anticipated expiration: 2011-06-28
Also published as: DE4122189A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach Oberbegriff des Hauptanspruches. Sie umfaßt auch eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.The invention is based on a method Preamble of the main claim. It also includes an arrangement to perform the procedure.

Ein Verfahren dieser Art ist bekannt aus NTZ, Band 43, 1990, Heft 2, Seiten 84 bis 86. Nach diesem Verfahren wird zunächst das Eigenrauschen des bei der Messung verwendeten Pegelmessers während eines Kalibriervorgangs wird gemessen und dann das Rauschen des Meßobjektes, so daß beim anschließenden Auswertevorgang das Eigenrauschen des Pegelmessers berücksichtigt werden kann. Zum Kalibrieren und zum eigentlichen Messen des Rauschens des Meßobjektes wird dabei eine Rauschquelle in Form einer Diode benutzt. Wenn an diese Diode eine Gleichspannung angelegt wird, liefert sie eine einer heißen Rauschtemperatur von beispielsweise 10 000 K entsprechende erste Rauschleistung, ohne Vorspannung liefert sie eine einer kalten Rauschtemperatur von beispielsweise 290 K entsprechende Rauschleistung. Diese beiden unterschiedlichen Rauschleistungen der Rauschquelle werden beim Kalibrieren direkt in den Pegelmesser und bei der eigentlichen Messung in das Meßobjekt eingespeist und die daraus resultierenden Pegel gemessen. Aus diesen beiden vorgegebenen Rauschtemperaturwerten und den gemessenen Rauschpegeln beim Kalibrier- und Meßvorgang kann dann die Rauschtemperatur bzw. die Rauchzahl berechnet werden (Formel 13 nach ntZ Band 43, Heft 2, Seite 85). Dieses bekannte Verfahren berücksichtigt zwar das Eigenrauschen des selektiven Pegelmessers, benötigt jedoch eine zusätzliche Rauschquelle, die im Hinblick auf die geforderte Präzision relativ teuer ist.A method of this kind is known from NTZ, volume 43, 1990, No. 2, pages 84 to 86. According to this procedure is the intrinsic noise the one used in the measurement Level meter during a calibration process measured and then the noise of the measurement object, so that intrinsic noise during the subsequent evaluation process of the level meter can be taken into account. To the Calibrate and actually measure the noise the test object becomes a source of noise in the form a diode used. If one is connected to this diode DC voltage is applied, it supplies one hot noise temperature of, for example, 10,000 K. corresponding first noise power, without bias it delivers a cold noise temperature of for example 290 K corresponding noise power. These two different levels of noise Noise source are calibrated directly in the Level meter and in the actual measurement in that Test object fed and the resulting Level measured. From these two given Noise temperature values and the measured noise levels the calibration and measuring process can then Noise temperature or smoke number can be calculated (Formula 13 according to ntZ volume 43, number 2, page 85). This Known methods take this into account Intrinsic noise of the selective level meter, needed however, an additional source of noise in terms of on the required precision is relatively expensive.

Bei einem anderen bekannten Verfahren dieser Art, bei dem die Rauschzahl nach der sogenannten drei DB-Methode bestimmt wird (M. Groll, Mikrowellen-Meßtechnik, 1969) und bei dem dazu eine absolute Pegelmessung nötig ist, ist es ansich bekannt, als Testsignalquelle einen Sinusgenerator zu verwenden.In another known method of this type, which the noise figure according to the so-called three DB method is determined (M. Groll, microwave measurement technology, 1969) and which requires an absolute level measurement, it is known per se as a test signal source To use sine wave generator.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen der Rauschzahl eines Meßobjektes aufzuzeigen, das eine bei dem eingangs erwähnten Verfahren erforderliche Rauschquelle überflüssig macht und trotzdem hohe Meßgenauigkeit gewährleistet. Außerdem soll eine im Aufbau einfache Anordnung zum Ausführen dieses Verfahrens aufgezeigt werden.It is an object of the invention to provide a method for Determining the noise figure of a test object, the one in the method mentioned at the beginning makes the required noise source unnecessary and nevertheless ensures high measuring accuracy. Furthermore is supposed to be a simple construction to execute of this procedure.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Eine besonders einfache Anordnung zum Ausführen dieses Verfahrens ergibt sich aus den Unteransprüchen.This task is based on a process Preamble of the main claim by the characteristic features solved. A particularly simple one There is an arrangement for carrying out this method from the subclaims.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß in der bekannten Formel für die Berechnung der Rauschzahl die bei dem bekannten Verfahren verwendeten Werte für kalte und heiße Rauschtemperatur auch durch entsprechende Rauschleistungspegel ausgedrückt werden können. Aus dieser Erkenntnis resultiert die erfindungsgemäße Maßnahme, daß für die Bestimmung der Rauschzahl nicht die bisher übliche breitbandige Rauschleistung aus einer gesonderten Rauschquelle für die Messung nötig ist, sondern daß dafür auch ein Pegel eines Sinusgenerators geeignet ist. Die Erzeugung von zwei unterschiedlich großen Sinussignalpegeln an einem Frequenzgenerator ist wesentlich einfacher realisierbar als die Verwendung einer gesonderten ein- und ausschaltbaren Diodenrauschquelle. Trotzdem ist die Messung sehr genau, da ja weiterhin die bekannte Kalibriermethode zur vorherigen Bestimmung des Eigenrauschens des Pegelmessers angewendet wird.The invention makes use of the knowledge that in the well-known formula for the calculation of the noise figure the values used in the known method for cold and hot noise temperature through corresponding noise power levels are expressed can. The result of this knowledge Measure according to the invention that for the determination of Noise figure is not the usual broadband Noise power from a separate noise source for the measurement is necessary, but that there is also a level for it a sine generator is suitable. The generation of two sine signal levels of different sizes on one Frequency generator is much easier to implement than the use of a separate one and switchable diode noise source. Still it is Measurement very accurate, since it is still the known one Calibration method for the previous determination of the Self-noise of the level meter is applied.

Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren mit einem üblichen Spektrum- oder Netzwerkanalysators unter Verwendung eines Spektrumanalysators (Tracking-Generator) als Sinusgenerator aufweist, dessen Ausgangssignal über einen Eichteiler mit definierten Ausgangspegeln einstellbar ist. Mit einem solchen Analysator hoher Empfindlichkeit und Pegelmeßgenauigkeit in einem breiten Frequenzband kann die Rauschzahl beliebiger elektronischer Meßobjekte wie Bauelemente, Verstärker und dergleichen einfach dadurch bestimmt werden, daß der Ausgang des Mitlaufgenerators während des Kalibriervorgangs unmittelbar mit dem benachbarten Eingang des eigentlichen Analysators verbunden wird und dann mit zwei unterschiedlichen Ausgangspegeln die Kalbrierung des Analysators vorgenommen wird und anschließend dann zwischen Ausgang des Mitlaufgenerators und dem Eingang des Analysators das Meßobjekt zwischengeschaltet wird und dann wiederum mit den beiden unterschiedlichen Pegeln die eigentliche Messung durchgeführt wird. Über den eingebauten Ausgangseichteiler des Mitlaufgenerators können die beiden unterschiedlich großen Pegel auf einfache Weise eingestellt werden. Die größe dieser beiden unterschiedlichen Pegel ist theoretisch frei wählbar. Da die durch das Meßobjekt hinzukommenden Rauschleistungen jedoch im allgemeinen sehr klein sind sollten diese Pegel nicht zu groß sein, da sonst der Analysator die Unterschiede zwischen dem Ausgangssignal des Mitlaufgenerators am Eingang des Meßobjekts und dem Ausgangssignal des Meßobjekts nicht mehr auflösen kann. Es ist daher zweckmäßig, einen Frequenzgenerator zu verwenden, der es erlaubt, sehr kleine Ausgangspegel einzustellen, wie dies mit dem Mitlaufgenerator des Analysators mit bis zu -120 dBm möglich ist. Der erste Signalpegel des Mitlaufgenerators ist beliebig einstellbar und damit an die Rauschleistung des jeweiligen Meßobjektes anpaßbar.The invention can be particularly advantageous Procedure with a usual spectrum or Network analyzer using a Spectrum analyzer (tracking generator) as Has sine wave generator whose output signal is above a calibration divider with defined output levels is adjustable. With such an analyzer higher Sensitivity and level measurement accuracy in one wide frequency band, the noise figure can be arbitrary electronic measuring objects such as components, amplifiers and the like can be determined simply by the output of the tracking generator during the Calibration process immediately with the neighboring one Input of the actual analyzer is connected and then with two different output levels Calibration of the analyzer is made and then then between the output of the tracking generator and the input of the analyzer the measurement object is interposed and then again with the the actual measurement at two different levels is carried out. Via the built-in output calibration divider the tracking generator can do the two different levels in a simple way can be set. The size of these two different levels are theoretically freely selectable. Because the ones added by the measurement object Noise levels, however, are generally very small these levels should not be too high, otherwise the Analyzer the differences between the output signal of the tracking generator at the input of the test object and the Output signal of the object can no longer resolve. It is therefore advisable to use a frequency generator use, which allows very low output levels adjust how this with the tracking generator of the Analyzer with up to -120 dBm is possible. The first Signal level of the tracking generator is arbitrary adjustable and thus to the noise power of the respective Customizable object.

Die erfindungsgemäße Messung ist bei praktisch jeder beliebigen Frequenz des Gesamtfrequenzbandes des Mitlaufgenerators durchführbar, beispielsweise auch bei tiefen Frequenzen. Die Rauschzahlbestimmung nach der Erfindung ist bei Verwendung eines Analysators mit Mitlaufgenerator nicht nur bei ausgewählten diskreten Einzelfrequenzen möglich, sondern es ist auch ein automatischer Meßvorgang über den gesamten Frequenzbereich des Analysators möglich. Die Kalibriermessung kann dabei entweder jeweils unmittelbar während des schrittweisen Weiterschaltens der Frequenz für jeden einzelnen diskreten Frequenzschritt vor der eigentlichen Objektmessung durchgeführt werden, oder es wird in einem ersten Kalibriervorgang zunächst an ausgewählten Meßpunkten innerhalb des Gesamtfrequenzbandes die Kalibrierung durchgeführt und anschließend in einem zweiten Meßvorgang die eigentliche Objektmessung. Wichtig ist, daß bei der anschließenden Auswertung jeweils die Kalibrierwerte und Meßwerte für Frequenzen berücksichtigt werden, die innerhalb der Bandbreite B des Pegelmessers liegen.The measurement according to the invention is practically everyone's any frequency of the total frequency band of the Tracking generator feasible, for example also at low frequencies. The noise figure determination after the Invention is using an analyzer with Tracking generator not only for selected discrete Single frequencies possible but it's also a automatic measuring process over the whole Frequency range of the analyzer possible. The Calibration measurement can either immediately during the incremental advance the frequency for each discrete frequency step before the actual object measurement be done, or it will be in a first Calibration process first at selected measuring points calibration within the total frequency band performed and then in a second Measuring process the actual object measurement. Important is, that in each case the subsequent evaluation Calibration values and measured values for frequencies are taken into account, which are within the bandwidth B of the level meter.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is based on a schematic drawing of an embodiment explained in more detail.

Die Figur zeigt einen handelsüblichen Spektrumanalysator der Firma Rohde & Schwarz beschrieben im Datenblatt PD756.7142.12 mit einem frequenzselektiven Pegelmesser S, der im Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 2 GHz durchstimmbar ist und einen sehr empfindlichen HF-Vorverstärker mit geringem Eigenrauschen besitzt. Der Abstimmoszillator des nach dem Überlagerungsprinzip arbeitenden frequenzselektiven Pegelmessers S, der durch eine Wobbeleinrichtung in dem gegebenen Frequenzbereich automatisch durchstimmbar ist, der jedoch auch von Hand auf jede beliebige diskrete Frequenz des Gesamtfrequenzbereiches einstellbar ist, ist mit einem im Gerät integrierten Mitlaufgenerator (Tracking- Generator) G synchronisiert, dessen Ausgangsfrequenz an der Ausgangsbuchse "A" mit einem durch einen eingebauten Eichteiler genau bestimmten einstellbaren Pegel zur Verfügung steht. Durch den Eichteiler wird ein erster sehr kleiner Pegel P₁ in der Größenordnung von -120 dBm eingestellt, der entsprechend dem jeweils zu vermessenden Meßobjekt M beliebig gewählt wird. Außerdem wird ein demgegenüber um einen konstanten Wert kleinerer Pegel P₂ am Eichteiler des Generators G eingestellt.The figure shows a commercial one Spectrum analyzer from Rohde & Schwarz described in data sheet PD756.7142.12 with a frequency selective level meter S, which in Frequency range tunable between 100 Hz and 2 GHz is and with a very sensitive RF preamplifier has low self-noise. The tuning oscillator of the frequency selective working according to the overlay principle Level meter S by a wobble device automatically in the given frequency range is tunable, but also by hand any discrete frequency of the Total frequency range is adjustable with a tracking generator integrated in the device (tracking Generator) G synchronized, its output frequency at the output socket "A" with one by one built-in calibration divider precisely defined adjustable Level is available. Through the calibration divider first very small level P₁ on the order of -120 dBm, which corresponds to the respective measuring object M is chosen arbitrarily. In addition, in contrast, a constant value lower level P₂ set on the calibration divider of the generator G.

Während einer ersten Kalibriermessung wird der Ausgang A des Generators G direkt mit dem Eingang "E" des Pegelmessers S verbunden und damit die dem Eigenrauschen entsprechenden Pegelmeßwerte P_1K und P_2K gemessen. Anschließend werden zwischen Ausgang des Generators G und Eingang des Pegelmessers S das Meßobjekt M mit der Bandbreite B_M zwischengeschaltet, bei gleicher Frequenz wieder die beiden Pegel P₁ und P₂ eingespeist und die am Ausgang des Meßobjektes M auftretenden Pegelmeßwerte P_1M und P_2M gemessen. Anschließend wird nach der in der Figur angegebenen Formel aus diesen Pegelwerten die Rauschtemperatur T_M berechnet, wobei k die Boltzmann'sche-Konstante und B_S die Bandbreite des Pegelmessers S ist. Daraus kann dann in bekannter Weise die Rauschzahl F berechnet werdenDuring a first calibration measurement, the output A of the generator G is connected directly to the input "E" of the level meter S and thus the level measurement values P _1K and P _2K corresponding to the intrinsic noise are measured. Subsequently, the measurement object M with the bandwidth B _{M is} interposed between the output of the generator G and the input of the level meter S, the two levels P 1 and P 2 are fed in again at the same frequency and the level measurement values P _1M and P _2M occurring at the output of the measurement object M are measured. The noise temperature T _M is then indicated in the figure by the formula from these level values calculated, with the Boltzmann constant, and B _S k, the bandwidth of the level meter is S. The noise figure F can then be calculated from this in a known manner

Die Rauschzahlmessung nach diesem Verfahren kann entweder bei nur einer einzelnen diskreten Frequenz des Mitlaufgenerators G bestimmt werden oder bei mehreren vorgegebenen Frequenzen eines durch das Meßobjekt vorgegebenen Bereiches, wobei dies auch automatisch durch den Woppelbetrieb des Pegelmessers durchgeführt werden kann. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Pegel P₁ und P₂ Sinusspannungen des Sinusgenerators G sind, ist auch ein schnellerer Meßablauf gewährleistet, da bei der Kalibrierung die Mittelwertbildung im Pegelmesser entfällt.The noise figure measurement using this method can either at only a single discrete frequency of the Tracking generator G can be determined or with several predetermined frequencies of one by the measurement object predetermined range, which is also automatic performed by the dual operation of the level meter can be. Since in the method according to the invention Level P₁ and P₂ sine voltages of the sine generator G a faster measuring process is guaranteed, because during calibration the averaging in No level meter.

Claims

1. A method for determining the noise temperature T _{M of} an electronic test object (M) by feeding in a test signal and level measurement by means of a level meter, taking into account the intrinsic noise of the level meter determined during a calibration measurement, characterized in that

- A sine generator (G) is used as the test signal source, which can be set in the measuring range to discrete frequencies and thereby to two different levels P₁ and P₂, during the calibration process first the sinusoidal signal with the two levels P₁ and P₂ directly into the level meter (S) fed in and the associated intrinsic noise levels P _1K and P _{2K of} the level meter are measured
- And then the same sinusoidal signal with the two levels P₁ and P₂ fed into the test object (M) and measured at its output by means of the level meter (S) these two levels P₁ and P₂ corresponding noise levels P _1M and P _{2M of} the test object (M) and the noise temperature T _{M of} the test object is calculated from these levels according to the following relationship:

where k is the Boltzmann constant and B _{S is} the bandwidth of the level meter (S).

2. Arrangement for performing the method according to claim 1, characterized by the use a spectrum or network analyzer (G, S) that a tunable tracking generator (G) with calibration divider and a synchronously tunable with it frequency-selective level meter (S).