SSA5000A 噪聲系數(shù)功能使用指導

1     噪聲系數(shù)分析功能
本文將演示如何使用鼎陽科技SSA5000A頻譜儀的噪聲系數(shù)分析功能來快速有效地進行高質(zhì)量的噪聲系數(shù)測量。
 
1.1噪聲系數(shù)的基礎知識
1.1.1什么是噪聲系數(shù)
       噪聲即元件或系統(tǒng)內(nèi)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個參數(shù)：噪聲系數(shù)(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)來表示就是噪聲系數(shù)(NF)：NF (dB) = 10*log (F)。由于微波網(wǎng)絡本身會產(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，或者說噪聲系數(shù)NF要大于0 dB，噪聲系數(shù)表征了微波網(wǎng)絡使SNR降低的程度。
       大部分LNA用噪聲系數(shù)來描述，但當LNA的噪聲系數(shù)小于1 dB時常用Te來描述其噪聲特征：Te = 290*(F-1)。此公式表述了噪聲系數(shù)與噪聲溫度的關(guān)系：NF (dB) = 10*lg (1+ Te /290)。
 
1.1.2噪聲系數(shù)的測量方法
       兩種測量噪聲系數(shù)的主要方法：Y因子法和冷源法。鼎陽科技SSA5000A頻譜分析儀使用Y因子法測量噪聲系數(shù)，矢量網(wǎng)絡分析儀測量噪聲系數(shù)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(qū)動電壓，當DC驅(qū)動電壓供電時相當于噪聲源開，稱為熱態(tài)，此時輸出大的噪聲功率；電源關(guān)閉時相當于噪聲源關(guān)，稱為冷態(tài)，此時輸出常溫下的噪聲功率。對于一個給定的噪聲源， ENR的值會隨著頻率而變化。根據(jù)內(nèi)部衰減器的不同，典型噪聲源的ENR標稱值的范圍在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噪聲功率的測量結(jié)果，這兩個測量結(jié)果的比值(稱為Y因子)可用來計算噪聲系數(shù)：NF=ENR-10lg(Y-1)，ENR一般由噪聲源的規(guī)格書給出。

圖 1–1 NSD28

 
1.2放大器測量
       本節(jié)使用一個頻率范圍為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(shù)分析功能來快速有效地進行噪聲系數(shù)測量。
 

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

圖 1–2 噪聲系數(shù)測量校準的連接設置

 
操作步驟：

1. 開機預熱30分鐘后點擊左上角的Spectrum Analyzer頻譜分析，進入窗口管理頁面，點擊 噪聲系數(shù) > 噪聲系數(shù) 添加噪聲系數(shù)分析的窗口，此時頻譜儀工作在噪聲系數(shù)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 ，當進入噪聲系數(shù)模式時，內(nèi)部前置放大器會自動開啟，自動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，掃描點數(shù)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(shù)據(jù)已正確傳輸。

圖 1–3 ENR table

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

• 執(zhí)行校準：選擇 Meas Setup > Cail > 開始校準 > Enter。 

  
  圖 1–4 噪聲系數(shù)測量校準

   

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

  
  圖 1–5 噪聲系數(shù)測量校準

  
  1.2.2噪聲系數(shù)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(shù)測量的連接設置

         連接DUT和噪聲源后，測量結(jié)果出現(xiàn)在分析儀的顯示屏上。結(jié)果表明，DUT的噪聲系數(shù)為6.12 dB，增益為26.69 dB。因此被測器件在目標頻率范圍內(nèi)符合制造商的規(guī)格。

  
  圖 1–7 噪聲系數(shù)測量結(jié)果

   
  1.2.3增益測量法
         在先進的噪聲系數(shù)測量應用出現(xiàn)以前，工程師們就想到了很多簡易的噪聲系數(shù)測量方法，其特點是所需要的設備少，操作簡單，但測量精度不高，應用范圍比較窄，雖然如此，過去被廣泛使用的簡易測量方法在今天的部分領域仍有一定的應用價值。我們用增益法對測量結(jié)果進行一個簡單的驗算，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(nèi)部噪聲的高低。在分析儀的輸入端連接一個 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 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(shù)換算成對數(shù)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自分析儀的底噪。因為低增益、小噪聲系數(shù)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(shù)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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