噪声系数的含义和测量方法

系数测量方法

主要有两种测量噪声系数的方法。最常用的是所谓 Y 因子法或冷热源法，安捷伦科技的噪声系数分析仪和频谱分析仪都是用这种方法测量噪声系数。

Y 因子法使用经过校准的由特制的可以打开和关闭的噪声二极管组成的噪声源，在噪声源的后面还有一个用来提供较好的输出匹配的衰减器，如图2 所示。当二极管被关闭，也即没有偏置电流存在的时候，噪声源对于被测器件来说所呈现的是一个温度为室温的负载。当二极管被反向偏置的时候，它所产生的雪崩效应会产生一个超过负载在室温环境下所产生的噪声的电噪声，这个额外产生的噪声的量被表征为"超噪比"(即 ENR)。对于一个给定的噪声源，ENR 的值会随着频率的变化而变化。根据噪声源内部衰减器的情况的不同，典型噪声源的 ENR 的额定值的范围在 5 dB 到 15 dB 之间。使用噪声源可以在被测器件的输出端口得到两个噪声功率的测量结果，然后，这两个测量结果的比值 — 被称之为 Y 因子 — 可以用来计算噪声系数。使用 Y 因子法进行测量还可以产生被测器件的标量增益的测量结果。

图2   超噪源的原理图

第二种测量噪声系数的方法是冷源法，有时也把这种方法叫做直接噪声测量法 — 在被测器件的输入端口连接一个冷 (通常是室温的) 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，只需要把被测器件与仪表进行一次连接，就可以完成诸如 S 参数、增益压缩、噪声系数等多项指标的测试。

Y 因子法

我们在这里要仔细看一下 Y 因子法。使用噪声源我们可以得到两个噪声功率的测量果: 一个是在噪声源处在冷 (噪声二极管是关闭的) 状态下得到的，另一个是在噪声源处在热 (噪声二极管是打开的) 状态下得到的。从这两个测量结果和噪声源已知的 ENR 的值我们就可以计算出两个变量的结果 — 被测放大器的标量增益和噪声系数。

在对被测器件进行测量的同时，测量仪表中噪声测量接收机的噪声也会被测量到。为了把这部分附加的噪声从测量结果中去除掉，在测量开始之前需要进行校准，校准的过程就是把噪声源与测量仪表连接起来，测量仪表内噪声测量接收机的噪声系数。经过校准之后，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全部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准，这是因为被测器件噪声系数的测量结果是基于测试系统第二级 — 测试仪表的噪声测量接收机 — 的增益和噪声系数的值进行校准的。

如果我们把一个放大器输出的噪声功率与其输入噪声功率的关系画成图的话，只要这个放大器是线性的，那么这个关系就会遵循一条直线的关系，如图 3 所示。对于低噪声放大器来说，这是一个很好的假设，因为它们的目的就是放大小信号，它们工作在远离放大器压缩区的区域。即便是输入噪声为零的情况下，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量的噪声存在。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。从图中我们就可以清楚而容易地看出，为什么在求解放大器的增益 (直线的斜率) 和噪声系数 (在 Y 轴上的截点) 这两个参数时需要使用两个噪声功率的测量结果。

图3   Y 因子测量法的图解

冷源法

我们来仔细地看看使用冷源法测量噪声系数的技术。冷源法的技术在概念上是很简单的，被测器件的输入端始终在室温 (所谓的"冷"负载) 温度，只做噪声功率的测量，测量得到的噪声是被放大了的输入噪声再加上放大器或变频器所贡献的噪声。如果可以非常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被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很精确的测量结果，我们必须要在非常精密的程度上知道被测器件的增益。矢量网络分析仪使用 2 端口矢量误差校准技术和其它先进的校准方法可以达到冷源测量法所需要的精度等级，因此，冷源法是非常适合于用矢量网络分析仪测量噪声系数的。

和使用 Y 因子法测量噪声系数的方法一样，冷源法也需要一个校准步骤来表征仪表内噪声测量接收机的噪声系数和增益。和冷源法一样，这一步骤也需要一个噪声源来完成; 或者也可以使用一个功率计做扫频测量来获得接收机的有效噪声带宽。在这里需要主意的是，冷源法测量中所使用的噪声源或功率计只是在校准时才用到，校准之后再对被测器件进行测试时就