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2020-04-01 來源︰微波射頻網作(zuo)者(zhe)︰Knight 我(wo)要評論(0) 字(zi)號︰

本(ben)文是噪聲(sheng)系數系列(lie)文章第(di)二篇,主(zhu)要介(jie)紹增益法測試噪聲(sheng)系數。在之(zhi)前發表的“淺談(tan)噪聲(sheng)系數”文章中,詳細介(jie)紹了(liao)噪聲(sheng)來源及噪聲(sheng)系數的定義和理(li)論公式(shi)推導,後面將陸續(xu)給大家(jia)介(jie)紹噪聲(sheng)系數的相(xiang)關測試方法。

提到增益法測試噪聲(sheng)系數,大家(jia)並不陌生(sheng),這是qie)恢旨蚪嗟牟饈苑椒  jing)度不如(ru)Y因子法,但是在某(mou)些測試場合,比如(ru)只有頻譜儀而沒有噪聲(sheng)頭時(shi),且(qie)待測件具有非常高的增益時(shi),就(jiu)可(ke)以使用增益法測試噪聲(sheng)系數。

增益法測試噪聲(sheng)系數的連接示意圖如(ru)圖1所示,其思路為︰DUT輸入端端接50 Ohm負(fu)載,在頻譜儀上(shang)測得的噪聲(sheng)功率shi)bei)認(ren)為是DUT本(ben)身輸出的功率,然後根據DUT的增益計(ji)算出其噪聲(sheng)系數。這種方法並沒有從測試yue) 邢xiao)除頻譜儀本(ben)身的噪聲(sheng)帶來的影響,所以精(jing)度有限。

圖1、增益法測試噪聲(sheng)系數示意圖

下面分別從兩個(ge)角度去分析增益法測試噪聲(sheng)系數︰(1) T0 (290K)溫度ren)虜饈裕2) 非T0溫度ren)虜饈浴T 娣ㄒ qiu)DUT的增益是qie)閻zhi)的,假設DUT的增益為G,其噪聲(sheng)因子為F,對應的噪聲(sheng)系數為NF。

在T0溫度ren)攏UT輸出的噪聲(sheng)功率為N0 = kBT0*G*F,使用對數表示則為

N0(dBm) = -174dBm/Hz + 10lg(B) + G(dB) + NF

值得一提的是,雖然DUT的帶寬(kuan)很大,但是真正被(bei)頻譜儀測量(liang)的噪聲(sheng)功率只有RBW帶寬(kuan)內的噪聲(sheng)功率,所以上(shang)式(shi)可(ke)以改寫為

N0(dBm) = -174dBm/Hz + 10lg(RBW) + G(dB) + NF

對上(shang)式(shi)進一步調整為

N0(dBm) - 10lg(RBW) = -174dBm/Hz + G(dB) + NF

“=”左邊的式(shi)子即(ji)為頻譜儀上(shang)測得的噪聲(sheng)功率譜密度,這個(ge)參數頻譜儀可(ke)以直接測出。DUT的增益已知(zhi),即(ji)可(ke)計(ji)算出其噪聲(sheng)系數NF。

如(ru)何使用頻譜儀準確測試噪聲(sheng)功率譜密度?

首(shou)先(xian)要將頻譜儀的顯示檢波器由默認(ren)的Auto Peak(AP)檢波器設置為RMS檢波器;然後將頻譜儀的掃描時(shi)間sweep time設置得大一些,比如(ru)5ms,這可(ke)以平滑測試yue)  岣 饈躍jing)度;最後直接調出功率譜密度測試yue) /p>

如(ru)果頻譜儀配置了(liao)內置預放(fang)大器,為了(liao)提高NF測試精(jing)度,需要打(da)開預放(fang)大器,以yue)徊澆檔推燈滓塹牡自(zi)搿/p>

如(ru)果測試時(shi)室(shi)溫不是T0,則上(shang)面的公式(shi)推導就(jiu)不適shi)昧liao)。此時(shi),DUT輸出的總噪聲(sheng)功率為

N0 = kBTin*G + kBT*G

式(shi)中Tin為當前室(shi)溫,這是qie)閻zhi)的,T為DUT的等(deng)效噪聲(sheng)溫度。

簡便起見,分別引入α和β兩個(ge)系數,使之(zhi)滿足如(ru)下關系

Tin = α*T0,    T = β*T0

則可(ke)以得到

N0 = kB*α*T0*G + kB*β*T0*G = kBT0*G*(α + β)

類似地,真正被(bei)頻譜儀測量(liang)的噪聲(sheng)功率只有RBW帶寬(kuan)內的噪聲(sheng)功率,使用對數表示時(shi),上(shang)式(shi)可(ke)以寫為

N0(dBm) = -174dBm/Hz + 10lg(RBW) + G(dB) + 10lg(α + β)

進一步改寫為

N0(dBm) - 10lg(RBW) = -174dBm/Hz + G(dB) + 10lg(α + β)

那麼頻譜儀測得噪聲(sheng)功率譜密度之(zhi)後,G和α又已知(zhi),因此可(ke)以求(qiu)出系數β,繼(ji)而求(qiu)出DUT的等(deng)效噪聲(sheng)溫度T,對應的噪聲(sheng)系數為

NF = 10lg(1+T/T0)

以上(shang)詳細介(jie)紹了(liao)增益法測試噪聲(sheng)系數的理(li)論推導,下面著重分析增益法一般適shi)糜yu)哪些場合。為方便起見,下面的討論都默認(ren)為是在T0室(shi)溫下進行(xing)測試的。

假設頻譜儀的噪聲(sheng)因子為FSA,等(deng)效噪聲(sheng)溫度為TSA,增益為GSA,則頻譜儀測得的總噪聲(sheng)功率為

Ntotal = kBT0*G*F + kBTSA*GSA

因頻譜儀校準後增益為1,即(ji)GSA = 1,則上(shang)式(shi)簡化為

Ntotal = kBT0*G*F + kBTSA

只有當kBTSA << kBT0*G*F時(shi),增益法測得的噪聲(sheng)系數才更加(jia)接近于(yu)DUT的真實噪聲(sheng)系數,頻譜儀帶來的影響才可(ke)以忽略。

定性地講,為了(liao)滿足上(shang)述條件,頻譜儀需要配置前置預放(fang)大器,以yue)檔妥zi)身的噪聲(sheng)系數。同時(shi),要求(qiu)DUT的增益盡量(liang)高,且(qie)其噪聲(sheng)系數不能太小。此時(shi),使用增益法測試噪聲(sheng)系數才具有比較高的準確性。

下面簡單地定量(liang)分析,當DUT的增益G、噪聲(sheng)因子F與頻譜儀的噪聲(sheng)因子FSA滿足什(shi)麼關系時(shi),才可(ke)以忽略頻譜儀帶來的影響。

因噪聲(sheng)因子與等(deng)效噪聲(sheng)溫度滿足關系T = (F-1)* T0,因此kBTSA << kBT0*G*F可(ke)以改寫為

FSA – 1 << G*F(FSA – 1) / GF << 1

根據級du)﹫li)論,DUT與頻譜儀級du) zhi)後的噪聲(sheng)因子Ftotal為

Ftotal = F + (FSA - 1) / G

兩邊同除以F可(ke)得

Ftotal / F = 1 + (FSA - 1) / GF

從該式(shi)也可(ke)以看出,當(FSA -1) / GF << 1時(shi),增益法測得的噪聲(sheng)系數基本(ben)就(jiu)是DUT真實的噪聲(sheng)系數。

采(cai)用對數形式(shi)表達上(shang)式(shi)則為

NFtotal – NF = 10lg[1 + (FSA-1) / GF]

令?NF = 10lg[1 + (FSA-1) / GF],則DUT的噪聲(sheng)系數為

NF = NFtotal - ?NF

分別令(FSA – 1) / GF 等(deng)于(yu)0.1、0.05、0.01,觀察頻譜儀自(zi)身的噪聲(sheng)系數對測試精(jing)度的影響。表1給出了(liao)這三個(ge)因子對應的?NF——增益法對應的理(li)論上(shang)的噪聲(sheng)系數測試誤差(cha)。

表1、不同因子下對應的?NF

(FSA – 1) / GF0.10.050.01
Ftotal / F1.11.051.01
?NF(dB)0.4140.2120.043

由上(shang)述表格(ge)可(ke)以看出,當比值(FSA -1) / GF越(yue)小時(shi),理(li)論的測試誤差(cha)也越(yue)小,這意味著采(cai)用增益法測試時(shi),頻譜儀的影響越(yue)來越(yue)小。作(zuo)為經驗值,一般建議(yi)DUT的增益、噪聲(sheng)因子和頻譜儀的噪聲(sheng)因子滿足如(ru)下關系時(shi),才能使用增益法測試噪聲(sheng)系數。

(FSA -1) / GF ≤0.05

舉例(li)︰測試一款LNA的噪聲(sheng)系數,增益為30dB(線性值為1000),噪聲(sheng)系數約為1.5dB(線性值為1.413),頻譜儀的噪聲(sheng)系數為10dB(線性值為10),則

(FSA -1) / GF = (10-1) / (1000*1.413) ≈0.006

滿足推薦的判決準則,可(ke)以使用增益法測試噪聲(sheng)系數。對應的?NF ≈0.028dB,已經相(xiang)當小了(liao),可(ke)以忽略不計(ji)。

寫到這里,關于(yu)增益法測試噪聲(sheng)系數就(jiu)告一段落了(liao)。基于(yu)以上(shang)討論,下面對增益法作(zuo)一些簡單的總結。

(1)    增益法需要頻譜儀而不需要噪聲(sheng)頭,因此無法測試DUT的增益,需要DUT增益已知(zhi)。
(2)    增益法忽略了(liao)頻譜儀自(zi)身的噪聲(sheng)系數,測試yue) UT與頻譜儀的級du)  sheng)系數。為了(liao)提高測試精(jing)度,建議(yi)測試增益相(xiang)對yue)細叩UT時(shi)再使用增益法。
(3)    如(ru)果頻譜儀配置了(liao)預放(fang)大器,使用增益法測試時(shi),要根據DUT的增益大小來決定是否需要打(da)開預放(fang)大器。並不是打(da)開預放(fang)大器一定可(ke)以提高測試精(jing)度,也要防止頻譜儀飽和!
(4)    測試時(shi),一定要根據當前室(shi)溫是否是T0來確定選擇相(xiang)應的公式(shi)進行(xing)計(ji)算,否則將會帶來測試精(jing)度的惡化。
(5)    如(ru)果可(ke)以確定頻譜儀的噪聲(sheng)系數,則也可(ke)以根據上(shang)述公式(shi)從增益法測得的結果中消(xiao)除頻譜儀帶來的影響,從而得到待測件本(ben)身的噪聲(sheng)系數。
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