超高噪声系数的超量程测量方法

超高噪声系数的超量程测量方法

噪声系数分析仪通常是作为频谱仪的选件功能,配合标准噪声源,用Y因子法,测量分析被测件DUT的噪声系数。

对于小增益甚至负增益的DUT,且噪声系数大于20dB时,需要噪声源的超噪比ENR远大于标准噪声源货架产品,文中解释这种噪声源的集成制作及其校准和测量方法。

计量单位常用衰减器来计量校准噪声系数分析的准确度,当衰减量值大于20dB时,就需要自制集成标准化超高ENR的噪声源。

噪声系数

噪声系数描述被测件DUT内部噪声程度,对信噪比的恶化程度,即输入信噪比和输出信噪比的比值:

◾ F=SNR_in/SNR_out;

◾ NF(dB) = SNR_in(dB) – SNR_out(dB);

定义噪声系数时,输入噪声Nin = N0是理想器件在290K时电子学热噪声功率 -174dBm/Hz。

超高噪声系数的超量程测量方法

衰减器的噪声系数

依据上述定义,衰减器的衰减量att(dB),就等于其噪声系数。

◾ 衰减器的输出噪声与输入噪声相等,Nout = Nin = N0;

◾ 输出信号功率 Sout(dB) = Sin – att;

◾ NF(dB) = Sin/N0 – Sout/N0 = att;

因此,负增益的DUT的噪声系数通常等于其衰减量值。

多级级联DUT时:

◾ F = F1+(F2-1)/G1+(F3-1)/G1G2+…

◾ 当G1>>1时,总噪声系数取决于第一级噪声系数F1

◾ 当第一级为衰减(负增益),G1<1时,认为G1=1/F1

  • F = F1+(F2-1)F1 = F1·F2
  • 总的噪声系数大于第一级噪声系数

频谱仪测量噪声系数 – 标准方法

超高噪声系数的超量程测量方法

频谱仪配合外接噪声源进行噪声系数测试:

◾ 噪声源的控制端连接频谱仪的电源和控制接口;

◾ 噪声源的超噪比ENR作为参考标准值,在频谱仪噪声系数测量功能中输入;

◾ 噪声源每个频率处的ENR,是其热态输出噪声功率密度,与其冷态噪声功率密度的差值,例如,某噪声源3GHz,温度290K,冷态输出-174dBm/Hz,热态输出-159dBm/Hz,ENR=15;

◾ 校准:噪声源射频口直接连接频谱仪射频端口,校准获得Y因子以及频谱仪自身噪声;

◾ 测量:将DUT插入连接在噪声源与频谱仪射频口之间,进行扫描测量,获得DUT的噪声系数和增益;

◾ 增益量程:-20~60dB;

◾ 噪声系数量程受限于噪声源的超噪比ENR:

  • ENR5dB噪声源:0~20dB
  • ENR15dB噪声源:0~30dB
  • ENR21dB噪声源:0~35dB
  • 在上述噪声系数范围,当噪声系数大于ENR的情况,要求DUT增益大于其噪声系数与ENR之差。

噪声源超噪比ENR的测量和校准

用一个已知溯源ENR的标准噪声源,进行被校目标噪声源的ENR测量校准:

◾ 标准噪声源,可以是上级计量单位校准溯源的二极管式噪声源;

◾ 标准噪声源也可以是一对冷热电阻(如常温电阻和液氮低温电阻),溯源到热力学温度;

◾ (频谱仪噪声系数分析,用标准噪声源直通校准;

◾ 更换被校噪声源,测量和记录ENR。

超量程方法

噪声系数测量不确定度,决定性因素之一是噪声源的超噪比ENR,最佳测量条件:

◾ ENR – (NF of SA) > 3 dB;

◾ ENR – (NF of DUT) > 5 dB;

◾(NF of DUT) + (Gain of DUT) – (NF of SA) > 5 dB。

当DUT噪声系数很大而增益很小时:

◾ 需要在标准噪声源基础上集成放大器的噪声源,实现超高ENR的噪声输出;

◾ 集成噪声源ENR大于衰减损耗量值。

测试步骤:

◾ 用标准噪声源进行直通校准;

◾ 标准噪声源连接放大器和匹配衰减器作为整体自制噪声源;

◾ 噪声源的控制电源控制放大器电源的开关,或者切换手动模式,人工切换冷态和热态进行扫描测量;

◾ 自制噪声源直通频谱仪进行ENR测量;

◾ 将以上ENR实测值作为自制噪声源的ENR标准值;

◾ 以自制噪声源代替标准噪声源,进行DUT的噪声系数测试;

◾ 测试布置如下图:

超高噪声系数的超量程测量方法

结语

在学习本方案后,将有助您全面了解对噪声源的超噪比ENR进行计量校准,以及基于现有标准噪声源,配合放大器集成高ENR噪声源进行测试。

在整个测试过程中,您还需要注意噪声源与放大器电源通断的同步,确保冷态时两者电源关闭,热态时打开。

当采用大于20dB衰减器,进行噪声系数分析仪计量校准时,特别推荐本方案。

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