SSA5000A 噪聲系數功能使用指導

1     噪聲系數分析功能
本文將演示如何使用鼎陽(yáng)科技SSA5000A頻譜儀的噪聲系數分析功能來(lái)快速有效地進(jìn)行高質(zhì)量的噪聲系數測量。
 
1.1噪聲系數的基礎知識
1.1.1什么是噪聲系數
       噪聲即元件或系統內部產(chǎn)生的干擾，從而導致電路的性能惡化；對噪聲的量化主要有3個(gè)參數：噪聲系數(NF)、噪聲因子(F)、等效噪聲溫度(Te)。
       噪聲因子(F)的定義是輸入信號的SNR(信噪比)除以輸出信號的SNR：F = (Sin/Nin)/(Sout/Nout)，式中，Sin =輸入信號的功率；Sout =輸出信號的功率；Nin =輸入噪聲功率；Nout =輸出噪聲功率。
       把噪聲因子用分貝(dB)來(lái)表示就是噪聲系數(NF)：NF (dB) = 10*log (F)。由于微波網(wǎng)絡(luò )本身會(huì )產(chǎn)生噪聲，其輸出端的SNR要比輸入端的SNR小，即噪聲因子F要大于1，或者說(shuō)噪聲系數NF要大于0 dB，噪聲系數表征了微波網(wǎng)絡(luò )使SNR降低的程度。
       大部分LNA用噪聲系數來(lái)描述，但當LNA的噪聲系數小于1 dB時(shí)常用Te來(lái)描述其噪聲特征：Te = 290*(F-1)。此公式表述了噪聲系數與噪聲溫度的關(guān)系：NF (dB) = 10*lg (1+ Te /290)。
 
1.1.2噪聲系數的測量方法
       兩種測量噪聲系數的主要方法：Y因子法和冷源法。鼎陽(yáng)科技SSA5000A頻譜分析儀使用Y因子法測量噪聲系數，矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀測量噪聲系數常采用冷源法。在本文中我們討論Y因子法。
       噪聲源是Y因子法測量必不可少的設備，噪聲源是能產(chǎn)生兩種不同噪聲功率的噪聲發(fā)生器，通常需 DC脈沖電源驅動(dòng)電壓，當DC驅動(dòng)電壓供電時(shí)相當于噪聲源開(kāi)，稱(chēng)為熱態(tài)，此時(shí)輸出大的噪聲功率；電源關(guān)閉時(shí)相當于噪聲源關(guān)，稱(chēng)為冷態(tài)，此時(shí)輸出常溫下的噪聲功率。對于一個(gè)給定的噪聲源， ENR的值會(huì )隨著(zhù)頻率而變化。根據內部衰減器的不同，典型噪聲源的ENR標稱(chēng)值的范圍在6 dB到15 dB之間。使用噪聲源可以在被測器件的輸出端口得到兩個(gè)噪聲功率的測量結果，這兩個(gè)測量結果的比值(稱(chēng)為Y因子)可用來(lái)計算噪聲系數：NF=ENR-10lg(Y-1)，ENR一般由噪聲源的規格書(shū)給出。

圖 1–1 NSD28

 
1.2放大器測量
       本節使用一個(gè)頻率范圍為DC-10 GHz的低噪聲放大器作為DUT和是德科技346系列噪聲源為例，演示如何使用SSA5000A的噪聲系數分析功能來(lái)快速有效地進(jìn)行噪聲系數測量。
 

1.2.1噪聲系數測量的校準
       為了精確測量噪聲系數，在測量 DUT之前，必須首先對測量系統進(jìn)行校準，以識別并校正系統的固有噪聲系數，從總噪聲系數測量值中去除所測量的儀器噪聲系數，從而僅顯示DUT的噪聲系數和增益。

圖 1–2 噪聲系數測量校準的連接設置

 
操作步驟：

1. 開(kāi)機預熱30分鐘后點(diǎn)擊左上角的Spectrum Analyzer頻譜分析，進(jìn)入窗口管理頁(yè)面，點(diǎn)擊 噪聲系數 > 噪聲系數 添加噪聲系數分析的窗口，此時(shí)頻譜儀工作在噪聲系數測量的模式。

2. 連接噪聲源：按照圖 1–2中的校準設置，連接噪聲源和頻譜分析儀。分析儀通過(guò)USB連接控制噪聲源，將噪聲源的輸出直接接入到分析儀的射頻信號輸入端。

3. 設置幅度：選擇 AMPTD ，當進(jìn)入噪聲系數模式時(shí)，內部前置放大器會(huì )自動(dòng)開(kāi)啟，自動(dòng)模式下輸入衰減值固定為0。

4. 設置頻率：選擇 FREQ ，設置起始頻率為10 MHz，終止頻率為10 GHz，掃描點(diǎn)數為11。

5. ENR設置：選擇 Meas Setup > 超噪比 > 編輯超噪比 填入ENR表，為一系列頻率和頻率對應的ENR值。

6. 保存ENR表：選擇Meas Setup > 超噪比 > 保存，保存填入的 ENR 值并在界面上顯示  驗證數據已正確傳輸。

圖 1–3 ENR table

• 設置平均：選擇 Meas Setup > 設置，平均次數為10并按平均切換到開(kāi)。

• 執行校準：選擇 Meas Setup > Cail > 開(kāi)始校準 > Enter。 

  
  圖 1–4 噪聲系數測量校準

   

• 在表格中查看結果：選擇 Trace > Format > 布局 > 表格，校準完成且未插入待測器件時(shí)，增益和噪聲系數均接近0 dB，這表明分析儀已經(jīng)從測量系統中去除了噪聲成分，使用表格布局模式可以更好地查看結果。

  
  圖 1–5 噪聲系數測量校準

  
  1.2.2噪聲系數和增益測量
         校準完成之后，保持分析儀對噪聲源的控制，將噪聲源的輸出接入DUT的輸入，DUT的輸出接入到分析儀的射頻信號輸入口。

  
  圖 1–6 噪聲系數測量的連接設置

         連接DUT和噪聲源后，測量結果出現在分析儀的顯示屏上。結果表明，DUT的噪聲系數為6.12 dB，增益為26.69 dB。因此被測器件在目標頻率范圍內符合制造商的規格。

  
  圖 1–7 噪聲系數測量結果

   
  1.2.3增益測量法
         在先進(jìn)的噪聲系數測量應用出現以前，工程師們就想到了很多簡(jiǎn)易的噪聲系數測量方法，其特點(diǎn)是所需要的設備少，操作簡(jiǎn)單，但測量精度不高，應用范圍比較窄，雖然如此，過(guò)去被廣泛使用的簡(jiǎn)易測量方法在今天的部分領(lǐng)域仍有一定的應用價(jià)值。我們用增益法對測量結果進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的驗算，這種方法的精度低于需要經(jīng)噪聲源校準的Y因子法，與分析儀幅度精度相當。
         DANL 反映了分析儀能夠測量到的最小電平，也反映了分析儀內部噪聲的高低。在分析儀的輸入端連接一個(gè) 50Ω的匹配負載或者直接將輸入接口懸空，測得DANL為-161.92 dBm/Hz。然后將放大器的輸出接入到分析儀的輸入，放大器的輸入端連接一個(gè) 50Ω的匹配負載或者直接懸空，不接電源測得噪聲功率譜密度為-161.97 dBm/Hz，接上電源測得噪聲功率譜密度為-142.05 dBm/Hz。
  操作步驟：

  
  圖 1–8 分析儀的噪聲功率譜密度

   

  
  圖 1–9 未接電源的噪聲功率譜密度
  
  圖 1–10 接上電源的噪聲功率譜密度

   
  噪聲系數換算成對數形式為:

  NF(dB)=10lgF=10lg P_out/(GkT_0 B)=10lgP_out-10lgG-10lgB-10lgkT_0
      =P_out (( dBm)/Hz)+174(( dBm)/Hz)-Gain(dB)=-142+174-26=6

   
         因此增益測量法需要得到DUT的增益和DUT輸入端接物理溫度為 290K電阻時(shí)其輸出端的噪聲功率譜密度，室溫環(huán)境的熱噪聲是-174 dBm/Hz（常溫下 DANL 的理論最小值），功率譜密度的測量可由分析儀測得，測量的最大局限性來(lái)自分析儀的底噪。因為低增益、小噪聲系數的DUT，其輸出端的P_out (( dBm)?Hz)很小，往往遠小于一般分析儀的底噪，所以增益測量法只適用于高增益、大噪聲系數的DUT。
   
  

1. 選擇 FREQ，設置中心頻率為5 GHz，掃寬為10 MHz。

2. 選擇 AMPTD，設置衰減為0 dB，打開(kāi)預置放大器。

3. 選擇 BW，設置分辨率帶寬為3 MHz。

4. 選擇 Trace > 檢波 > 平均。

5. 選擇 Marker > 光標功能 > 噪聲光標。 

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