学习笔记：PNA-X：测量噪声系数

本应用指南的目的之一是让读者能够更好地理解在噪声系数测量中的测量精度问题。

此篇为部分学习参考，详情可以参考本人的资源文章。

1 什么是噪声系数?

1.1 噪声系数的定义：

2 噪声系数的测量技术

2.1 Y 因子法

2.2 冷源法(直接噪声测量法)

1 什么是噪声系数?

噪声系数是用来描述一个系统中出现的过多的噪声量的品质因数。

把噪声系数降低到最小的程度可以减小噪声对系统造成的影响。

设计人员总是在尽最大努力使整个系统的信噪比 (SNR) 达到最优，方法有两种：

提高信号
降低噪声
与使用提高发射机功率的方法相比，降低接收机的噪声 (以及让接收机的噪声系数的指标更好) 的方法会更容易和经济一些。

1.1 噪声系数的定义：

网络的噪声因子 (F) 的定义是输入信号的 SNR 除以输出信号的 SNR:

把噪声因子用分贝 (dB) 来表示就是噪声系数 (NF): NF = 10*log (F)

2 噪声系数的测量技术

有两种测量噪声系数的主要方法。最常用的是 Y 因子法或冷热源法。

使用经过校准的噪声源源－包括专门设计的通/断噪声二极管，在噪声源的后面还有一个可提供较好的输出匹配的衰减器。

二极管关闭，即没有偏置电流存在时：噪声源会对被测器件呈现出室温端接负载。
二极管被反向偏置时：二极管产生雪崩效应，会产生一个超过室温端接负载的电噪声。额外产生的噪声量被表征为 "超噪比" (即 ENR)。

2.1 Y 因子法

使用噪声源我们可以进行两个噪声功率测量。一个是在噪声源处在冷状态 (噪声二极管关闭) 下进行，另一个是在噪声源处在热状态 (噪声二极管打开) 下进行。从。从这两个测量和噪声源已知的 ENR，我们就可以计算出两个变量: 被测放大器的标量增益和噪声系数。

在测量开始之前，由于测试仪器中的噪声接收机的噪声也会被测量到，要去除这一影响，因此需要校准。

校准方式：把噪声源与测试仪器相连，然后测量内部噪声接收机的噪声系数。使用一个简单的数学表达式就可以把被测器件的噪声系数从整个系统的噪声测量结果中提取出来。这一步骤被叫做第二级噪声校正，这是因为被测器件的噪声系数是基于测试仪器中的噪声接收机在第二级的增益和噪声系数进行校正的。

把放大器的输出噪声功率与其输入噪声功率的关系画成图，只要这个放大器是线性的，那么关系图曲线就会是一条直线，如图所示。

对于 LNA 来说，这是一个很好的假设，因为它们的目的就是放大那些远离放大器压缩区域的低电平信号。即便是输入噪声为零，由于放大器内部有源电路自身会产生噪声的机理，在放大器的输出端口上还是会有一定的噪声。这个由放大器自身所产生的噪声就是噪声系数测量中所要标定的量。从图中我们就可以轻松地看出，为什么在求解放大器的增益 (直线的斜率) 和噪声系数 (从 Y 轴截获点导出) 时需要进行上述两个噪声功率测量。

2.2 冷源法(直接噪声测量法)

在被测器件的输入端口连接一个冷 (通常是室温的) 端接负载，另外再单独测量被测器件的增益。使用矢量网络分析仪 (VNA) 测量噪声系数就经常采用冷源法，因为这可以使我们在测量放大器或变频器时，只需通过单次连接，就可以完成诸如 S 参数、压缩、噪声系数等多项指标的测试。

被测器件的输入端始终在室温 (所谓的 "冷" 端接) 条件下，只进行噪声功率测量，测得的噪声是经放大的输入噪声再加上放大器或变频器所产生的噪声。如果可以精确地知道放大器的增益 (或变频器的变频增益)，那么就可以从测量结果中把经放大的输入噪声去掉，只留下由被测器件产生的噪声，由此就可以计算出噪声系数。为了能够在冷源法测量中得到精确的结果，我们必须要对被测器件的增益了如指掌。矢量网络分析仪使用 2 端口矢量误差校正技术和其他先进的校准方法可以达到冷源法所需的精度，因此，冷源法是矢量网络分析仪进行噪声系数测量的理想选择。