NF測(cè)量的Y因子法的增益定義：可用增益還是插入增益？

Y因子法是一種廣泛用于測(cè)量射頻元件增益和噪聲系數(shù)（NF）的技術(shù)。本文將幫助您了解插入增益和可用增益之間的差異，同時(shí)避免測(cè)量噪聲系數(shù)時(shí)可能出現(xiàn)的重大誤差。

原則上，Y因子法是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)量RF組件增益和噪聲系數(shù)（NF）的方法。然而，在實(shí)踐中需要仔細(xì)注意一些錯(cuò)綜復(fù)雜的問(wèn)題。一些非理想效應(yīng)，如測(cè)試設(shè)備NF的不確定性以及與噪聲源本身相關(guān)的不確定性，可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量不確定性。另一個(gè)微妙之處是，該方法實(shí)際上測(cè)量和使用DUT（被測(cè)器件）插入增益，而不是其可用增益。

Y因子法簡(jiǎn)介

噪聲系數(shù)測(cè)量的Y因子法包括兩個(gè)步驟：

圖1（a）所示的測(cè)量步驟，用于確定由Tcas表示的DUT接收器系統(tǒng)的噪聲溫度

圖1（b）的校準(zhǔn)步驟，確定接收器TR接收器的噪聲溫度

圖1 Y因子法測(cè)量噪聲系數(shù)的兩個(gè)步驟：（a）測(cè)量和（b）校準(zhǔn)

在測(cè)量Tcas和TRecever之后，我們可以應(yīng)用Friis方程來(lái)計(jì)算DUT的噪聲溫度：

方程式1

其中TDUT和GDUT分別表示DUT的噪聲溫度和增益。從測(cè)量裝置獲得的噪聲功率（圖1（a）中的Nh和Nc）被DUT增益放大；然而，Nh、cal和Nc、cal沒(méi)有經(jīng)歷這種增益（圖1（b））。因此，GDUT可以通過(guò)以下方程式進(jìn)行估算：

方程式2

可用功率增益

噪聲系數(shù)定義中使用的功率增益是可用功率增益GA，如下圖2所示?？捎霉β试鲆媸请p端口網(wǎng)絡(luò)PAVN（圖2（a））可用功率與源PAVS可用功率的比值。  

圖2 可用功率增益定義

請(qǐng)注意，對(duì)于PAVN和PAVS測(cè)量，被測(cè)端口都連接到其共軛匹配的負(fù)載。例如，為了找到PAVN，模塊輸出連接到Zout=Rout+jXout的復(fù)共軛，即ZL=Rout-jXout。我們從方程1中獲得的功率不是可用的功率增益。為了將其與可用增益區(qū)分開(kāi)來(lái)，它被賦予了一個(gè)特定的名稱：插入增益，這將在下面討論。

插入功率增益

圖3說(shuō)明了插入功率增益的定義。

圖3 插入功率增益定義

插入功率增益取決于源阻抗和負(fù)載阻抗（ZS和ZL）。如圖3（a）所示，我們將DUT連接到ZL，同時(shí)其輸入由ZS的源阻抗驅(qū)動(dòng)，并測(cè)量輸送到負(fù)載的功率（圖3中用POut表示）。我們還測(cè)量了源可以直接傳遞給ZL的功率，如圖3（b）中的PIn所示。POut與PIn的比率是DUT的插入增益。從這個(gè)解釋中可以清楚地看出，插入增益對(duì)應(yīng)于我們?cè)诮o定的ZS和ZL之間插入DUT時(shí)獲得的功率增益的變化。

使用插入增益引入的誤差

將Y因子法的測(cè)量和校準(zhǔn)步驟（圖1（a）和（b））與插入增益定義（圖3（a））進(jìn)行比較，我們觀察到，我們從方程2中獲得的增益實(shí)際上是插入增益，而不是可用增益。可以測(cè)量DUT的可用增益；然而，這需要兩次額外的功率測(cè)量，其中負(fù)載阻抗必須調(diào)諧到與被測(cè)端口共軛匹配。

然而，插入增益是從Y因子法所需的四個(gè)功率測(cè)量值中獲得的。我們實(shí)際上假設(shè)插入增益等于可用增益。如果不是這樣，我們的測(cè)量將引入誤差（方程式1）?？梢钥闯觯捎迷鲆鍳A和插入增益Gi之間的差由下式給出：

方程式3

其中Γ1是觀察噪聲測(cè)量接收器的反射系數(shù)；Γ2是觀察DUT輸出時(shí)觀察到的值；Γs是噪聲源的反射系數(shù)（圖4）。

圖4 噪聲源、DUT輸出和噪聲測(cè)量接收器的反射系數(shù)

請(qǐng)注意，在完全匹配的情況下（Γ1=Γ2=Γs=0），插入增益等于可用增益。在上述方程中，需要了解反射系數(shù)的幅度和相位才能從Gi中找到GA。通常，相位信息不可用，我們只能找到誤差極限。圖5顯示了作為匹配水平函數(shù)的插入增益和可用增益之間的差異。

圖5可用增益與插入增益之比，作為接收器和DUT匹配的函數(shù)。圖片由安立提供

在上圖中，x軸是DUT輸入和輸出匹配（為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)DUT的輸入和輸出匹配對(duì)相同）。y軸是兩個(gè)功率增益之間的差值，單位為分貝。假設(shè)噪聲源匹配為-20 dB，并且假設(shè)DUT具有良好的隔離（|S21×S12|=0.1）。請(qǐng)注意，隨著DUT匹配度降低到-10dB以上，兩種增益之間的差異變得更加顯著。在這種情況下，增益誤差可能會(huì)在測(cè)量的NF值中引入顯著誤差。

S—增益誤差的參數(shù)校正

此時(shí)，您可能會(huì)想知道是否可以使用DUT的S參數(shù)以及方程3來(lái)從插入增益中獲得可用增益。通過(guò)將GA（而不是Gi）代入Friis方程，我們可以校正增益誤差。這似乎是有益的，但有兩點(diǎn)值得一提。

首先，請(qǐng)注意，我們通常沒(méi)有反射系數(shù)（Γ1、Γ2和Γs）的相位信息。對(duì)于標(biāo)量測(cè)量，我們不知道矢量反射系數(shù)將如何組合以產(chǎn)生最終誤差。假設(shè)向量失配可用，我們可以從Gi中找到GA。

然而，還有另一個(gè)問(wèn)題可能會(huì)妨礙我們進(jìn)行更準(zhǔn)確的測(cè)量：DUT和測(cè)量設(shè)備的噪聲系數(shù)是其驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗的函數(shù)。圖5通過(guò)假設(shè)DUT的噪聲性能以圖形方式說(shuō)明了這一點(diǎn)。

圖6史密斯圓圖展示了驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗對(duì)噪聲系數(shù)的影響。圖片由D.Boyd提供

當(dāng)DUT由50Ω的源阻抗（對(duì)應(yīng)于史密斯圓圖中心的綠色圓圈）驅(qū)動(dòng)時(shí)，其噪聲系數(shù)為2.5 dB。然而，當(dāng)源阻抗等于DUT S11的復(fù)共軛（圖中紅色圓圈標(biāo)記）時(shí)，噪聲系數(shù)為2 dB。S參數(shù)不能為我們提供有關(guān)設(shè)備噪聲性能的任何信息。因此，雖然S參數(shù)校正可用于從Gi中找到GA，但它不允許我們考慮DUT NF的變化。如果不了解NF隨源電阻的變化，S參數(shù)校正甚至?xí)黾?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/NF測(cè)量">NF測(cè)量誤差。 

確定NF對(duì)源阻抗的依賴性需要專門的NF測(cè)量設(shè)備，該設(shè)備使用短截線調(diào)諧器向設(shè)備施加一系列復(fù)阻抗。然后對(duì)這些測(cè)量值進(jìn)行分析，以在史密斯圓圖上產(chǎn)生與圖5所示類似的NF圓形輪廓。應(yīng)該指出的是，常見(jiàn)的噪聲系數(shù)分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀無(wú)法產(chǎn)生這些NF輪廓。

明確測(cè)量不確定度的必要性

沒(méi)有噪聲輪廓，對(duì)噪聲系數(shù)測(cè)量應(yīng)用失配校正是無(wú)效的。在這些情況下，建議盡可能減少不同端口的阻抗失配，然后將殘余失配視為測(cè)量不確定度。除了失配效應(yīng)外，完整的不確定性分析還可以解釋其他非理想效應(yīng)，例如測(cè)試設(shè)備NF的不確定性以及與噪聲源本身相關(guān)的不確定性。不確定度分析是每種測(cè)量的關(guān)鍵，包括NF測(cè)量。下表強(qiáng)調(diào)了通過(guò)比較兩個(gè)不同的假設(shè)放大器來(lái)了解測(cè)量不確定度的重要性。

在不考慮不確定性的情況下，人們立即選擇放大器1作為性能更高的設(shè)備。然而，考慮到測(cè)量的不確定性，我們觀察到放大器1的噪聲系數(shù)可能高達(dá)1.7 dB，而放大器2的最大NF為1.5 dB。在進(jìn)行噪聲系數(shù)測(cè)量時(shí)，需要注意的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是測(cè)量不確定性。在未來(lái)的文章中，我們將研究Y因子法的測(cè)量不確定度。

Y因子方法綜述

Y因子法實(shí)際測(cè)量和使用DUT的插入增益，而不是其可用增益。在存在阻抗失配的情況下，這可能會(huì)導(dǎo)致顯著的誤差。由于插入增益的測(cè)量比可用增益容易得多，我們通常假設(shè)這兩個(gè)功率量相等。然而，為了限制誤差，應(yīng)盡量減少不同端口的阻抗失配。殘余失配誤差通常被視為測(cè)量不確定度。