作者：應(yīng)用工程師陳金明

1、噪聲系數(shù)測(cè)試的意義

噪聲系數(shù)（Noise Figure）指標(biāo)可用于衡量信號(hào)經(jīng)過(guò)待測(cè)件后有多少噪聲被疊加在輸入信號(hào)之上，可量化有用信號(hào)輸入待測(cè)件后信噪比（SNR）惡化的程度。它是射頻微波有源器件的關(guān)鍵指標(biāo)，尤其對(duì)于射頻前端的低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA），決定了整個(gè)接收鏈路的噪聲系數(shù)，將直接影響系統(tǒng)的接收靈敏度。

如何描述噪聲系數(shù)的大小呢？噪聲系數(shù)的一般定義為：待測(cè)件輸入信噪比與輸出信噪比的比值，F(xiàn)=（Sin/Nin）/(Sout/Nout)。假定輸入信號(hào)由兩部分組成，輸入有用信號(hào)Sin和輸入噪聲Nin，因此待測(cè)件輸入端的信噪比為Sin/Nin。如果待測(cè)件的增益為G，Sout=SinG，輸出信噪比Sout/Nout=SinG/Nout，因此有F=Nout/NinG，所以噪聲系數(shù)也可以定義為待測(cè)件輸出噪聲功率與輸入噪聲功率和待測(cè)件增益乘積的比值。

圖一 待測(cè)件輸入與輸出信噪比

噪聲系數(shù)的線性表征為F=Nout/NinG，稱(chēng)之為噪聲因子；噪聲系數(shù)的對(duì)數(shù)表征為FdB=10logF=10log（Nout/NinG），稱(chēng)之為噪聲系數(shù)，噪聲系數(shù)的對(duì)數(shù)表征FdB使用更為廣泛。

2、噪聲系數(shù)測(cè)試方法

噪聲系數(shù)指標(biāo)是有源器件的關(guān)鍵指標(biāo)，噪聲系數(shù)的測(cè)試變得越來(lái)越廣泛和重要。噪聲系數(shù)測(cè)試主要有三種測(cè)試方法，第一種方法是只使用頻譜儀的增益法，這是一種簡(jiǎn)化的方法，不需要噪聲源，被測(cè)件的增益已知并且非常高時(shí)才可使用，精度有限（不如后面兩種方法）；第二種方法是使用噪聲源和頻譜儀測(cè)試的Y因子法，該測(cè)試方法相對(duì)簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)可以達(dá)到相當(dāng)高的測(cè)量精度；第三種方法是使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的冷源法，該方法對(duì)測(cè)試條件要求較高，滿足條件時(shí)測(cè)試精度非常高，并且可以一次連接完成幾乎所有指標(biāo)的測(cè)試，測(cè)試效率非常高。

增益法測(cè)試噪聲系數(shù)只需要使用頻譜儀，沒(méi)有從測(cè)試結(jié)果中消除頻譜儀自身噪聲帶來(lái)的影響，精度有限。分為兩步：第一步被測(cè)件輸入端端接50歐負(fù)載，在頻譜儀上測(cè)得的功率被認(rèn)為被測(cè)件自身輸出的噪聲功率；第二步，根據(jù)被測(cè)件的增益計(jì)算噪聲系數(shù)結(jié)果。

Y因子法測(cè)試噪聲系數(shù)需要使用頻譜儀和噪聲源，能夠從測(cè)試結(jié)果中去除頻譜儀自身噪聲系數(shù)對(duì)測(cè)試引入的影響。分為兩步：第一步頻譜儀噪聲系數(shù)的校準(zhǔn)；第二步測(cè)試待測(cè)件的噪聲系數(shù)。噪聲源用于為待測(cè)件提供噪聲功率，具有On和Off兩個(gè)狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)不同的等效噪聲溫度。頻譜儀通過(guò)Noise Source Control(+28V) 接口控制噪聲源的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)。下圖為信號(hào)與頻譜分析儀FSW的噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果。

圖二 基于FSW信號(hào)與頻譜分析儀的噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果顯示

冷源法測(cè)試噪聲系數(shù)需要使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)表征矢網(wǎng)的測(cè)量接收機(jī)的噪聲系數(shù)，可以使用一個(gè)功率計(jì)做掃頻測(cè)量來(lái)獲得接收機(jī)的有效噪聲帶寬。在這里需要主意的是，冷源法測(cè)量中所使用的功率計(jì)只是在校準(zhǔn)時(shí)才用到，校準(zhǔn)之后再對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行測(cè)試時(shí)就不再需要了。使用等于系統(tǒng)阻抗的電阻負(fù)載連接被測(cè)件的輸入，測(cè)量被測(cè)件的輸出噪聲功率，再使用兩端口S參數(shù)測(cè)量被測(cè)件的增益，并利用這兩個(gè)結(jié)果計(jì)算得到噪聲系數(shù)。由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀單獨(dú)就能完成增益的測(cè)量，冷源法通常與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀一起使用。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可同時(shí)實(shí)現(xiàn)噪聲系數(shù)測(cè)量、S 參數(shù)測(cè)量、壓縮測(cè)量、交調(diào)測(cè)量與變頻測(cè)量，提高了測(cè)量效率，同時(shí)也減小了反復(fù)連接帶來(lái)的不確定性。下圖為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZNA的噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果。

圖三 基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZNA的噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果顯示

3、總  結(jié)

使用頻譜儀的增益法、Y因子法和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的冷源法都可以進(jìn)行噪聲系數(shù)的測(cè)試。但是增益法進(jìn)行噪聲系數(shù)測(cè)試時(shí)無(wú)法測(cè)試DUT的增益和頻譜儀的噪聲系數(shù)，因此測(cè)量精度非常有限。頻譜儀的Y因子法和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的冷源法都有校準(zhǔn)的過(guò)程，噪聲系數(shù)的測(cè)量精度很高，使用更為廣泛和普遍。