摘 要：在微波噪聲參數(shù)測量系統(tǒng)中，通過使用自動源調(diào)配器來改變源反射系數(shù)的方法，可以方便地求出各個參數(shù)。根據(jù)對所引入的自動源調(diào)配器的分析，總結(jié)出源調(diào)配器自身的額外噪聲誤差是可以忽略的，并在對自動源調(diào)配器與噪聲源級聯(lián)后組成的單端口網(wǎng)絡(luò)進行誤差分析后，做出了超噪比的補償運算，這種誤差修正方法在很大程度上減小了測量誤差量級。使用該補償方法可以在噪聲參數(shù)測量時進行更大范圍的源阻抗調(diào)配，并提高噪聲測量的準(zhǔn)確度。

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關(guān)鍵詞：自動源調(diào)配器；噪聲參數(shù)；超噪比；補償計算

中圖分類號：TN32文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)07-115-03

Automatic Source-Impedance Tuner for the Measurement Transistor

Noise-parameters of the Compensation

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KANG Lingzhi，WANG Jiali

(School of Mechano-electronic Engineering，Xidian University，Xi′an，710071，China)

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Abstract：The advantages of using a source tuner to vary the source impedance in a microwave noise parameter measurement system are investigated，it would facilitate all the parameter to be extracted.The additional noise figure measurement error introduced by the use of source tuner is analyzed and shown to be negligible，provided that the tuner excess noise output is kept within certain limits.A modification to the standard one-port automatic source tuner and microwave noise source network is described which significantly reduces the amount of excess noise by calculating ENR compensation.The use of this calculating compensation would facilitate a wider constellation of source impedances to be used in microwave noise parameter measurement systems，thus increasing noise parameter measurement accuracy.

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Keywords：automatic source tuner;noise-parameter;ENR;compensation calculation

1 引 言

微波晶體管的噪聲參數(shù)測量取決于其輸入端口的反射系數(shù)，只有通過設(shè)置任意的源反射系數(shù)才能較準(zhǔn)確地描繪出四個噪聲參數(shù)的特征。通常需要使用源調(diào)配器在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)滑塊或探針的位置，進而改變被測器件輸入端的反射系數(shù)。由于任何測試設(shè)備都不可避免地產(chǎn)生損耗，并產(chǎn)生一定量級的噪聲，所以對于源調(diào)配器就不可能完全做到測量Smith圓圖上的任何點，且在被測器件輸入端口的超噪比不再固定不變，而是隨著調(diào)配器的調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生變化。因此在測量噪聲參數(shù)時就必須對被測件輸入端口的超噪比或測量輸出信號進行補償運算。

2 測試分析及補償設(shè)計

對于噪聲參數(shù)的測量選擇典型的Y因子法，Y因子是網(wǎng)絡(luò)輸出端對應(yīng)的源在冷熱不同工作狀態(tài)下的兩個相應(yīng)資用輸出噪聲功率之比。如果網(wǎng)絡(luò)是理想的，不存在噪聲，則Y因子為兩個資用輸入噪聲功率之比；如果網(wǎng)絡(luò)存在噪聲，Y因子將隨網(wǎng)絡(luò)噪聲的增加而減小，他們之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。因此測量網(wǎng)絡(luò)噪聲的大小可通過測量Y系數(shù)得到。

使用Y因子法則需要引入噪聲溫度的概念：若某個二端口網(wǎng)絡(luò)在特定頻率f下的噪聲功率譜密度為Sn(f) W/Hz，則假設(shè)有一個等效均勻加熱電阻在溫度Tn K時在頻率f下將產(chǎn)生相同的噪聲功率譜密度Sn(f) W/Hz，于是Tn便定義為二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲溫度。這時候的噪聲功率為N=KGTB，K波耳茲曼常數(shù)，B測試系統(tǒng)的帶寬，G系統(tǒng)增益，T等效噪聲溫度。由此Y因子可以如下計算:



Y=Nout2Nout1=T2+TeT1+Te



其中Nout1=GK(T1+Te)B表示冷態(tài)時系統(tǒng)測量的輸出噪聲功率；Nout2=GK(T2+Te)B表示熱態(tài)時系統(tǒng)測量的輸出噪聲功率。

整個噪聲測試系統(tǒng)方案如圖1所示。

噪聲源與自動源調(diào)配器連接來改變源反射系數(shù)；輸出端口連接被測晶體管后由噪聲系數(shù)測試儀進行輸出信號測量；同時由噪聲測試儀發(fā)送控制信號控制噪聲源，改變噪聲源的冷/熱工作狀態(tài)。測量時需要先對噪聲系數(shù)測試儀進行自校準(zhǔn)，將校準(zhǔn)誤差作為接收機的誤差系數(shù)最后在測量結(jié)果中給予扣除。其次校準(zhǔn)自動源調(diào)配器，將適量網(wǎng)絡(luò)分析儀與源調(diào)配器相連，如圖2所示。

圖1 噪聲測試系統(tǒng)方案

圖2 調(diào)配器自校準(zhǔn)示意圖

按照測量頻率選擇合適的測量點并將每點的坐標(biāo)及該點的反射系數(shù)以數(shù)組方式存儲起來，作為噪聲測量的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

校準(zhǔn)后即可搭建整個測試系統(tǒng)，根據(jù)Y因子法:



Y=NHNC=T2+TeT1+Te



其中NH=kBGR(TH+TR)，NC=kBGR(TC+TR)。

因此同理可以得到:



NMEAS=kBGR［(TTUN+Te)GDUT+TR］



其中GR 和TR表示接收部分增益和有效噪聲溫度，GDUT和Te表示被測器件的資用增益和有效噪聲溫度，TTUN指調(diào)配器有效噪聲溫度。



FDUT=1GDUT(NMEAS－NC)(TH－TC)(NH－NC)T0－GDUTTTUNT0－1+TCT0



可以看到，調(diào)配器的噪聲溫度(TTUN)不是290 K時，在上式已經(jīng)給予了充分考慮，而且此時的噪聲溫度可以通過一個校準(zhǔn)噪聲測量系統(tǒng)很容易的測得。在所有的噪聲系數(shù)測量中一個主要的引起誤差的原因，是由于源調(diào)配器和噪聲源級聯(lián)存在不恒定的超噪比引起的TH、TC值的不確定。對于TH、TC這一量級的誤差在測量最終噪聲系數(shù)時也產(chǎn)生了同一量級噪聲系數(shù)誤差。因此要對超噪比引起的噪聲測量誤差進行補償。示意圖如圖3所示。

假設(shè)噪聲源的輸出穩(wěn)定，級聯(lián)源調(diào)配器后將兩者視為一個可變內(nèi)阻的噪聲源，根據(jù)超噪比的定義:



ENR=Pna－P0P0=kBTna－kBT0kBT0=Tna－T0T0



設(shè)調(diào)配器處于溫度TTUN，損耗為L；噪聲源處于溫度Ts，則相應(yīng)的等效噪聲溫度為:



T=TsL+1－1LTTUN



因此等效可變內(nèi)阻噪聲源的超噪比為:



ENR′=TsL+1－1LTTUN－T0T0



圖3 級聯(lián)噪聲源

為簡單起見，不妨設(shè)TTUN=T0(無源調(diào)配器在室溫下)，所以得到:



ENR′=1LENR



其中L=－10lg(1－|Γin|2)。

利用Y因子法測量噪聲系數(shù)的公式如下:



F=1+TeT0=1+TH－YTC(Y－1)T0



級聯(lián)源調(diào)配器后噪聲系數(shù)測量值變化如下:



F′=T′HT0－Y′T′CT0Y′－1+1=T′HT0－1－Y′T′CT0+Y′Y′－1

=ENR′－Y′

T′CT0－1Y′－1=1Y′－1ENR′



其中Y′=T′H+TeT′C+Te，而T′C可以近似的看作T0。

圖4 等噪聲系數(shù)圓圖

故:



ΔF=F′－F=1Y′－1ENR′－1Y－1ENR

=1(Y′－1)L－1Y－1ENR



其中ENR由噪聲源的技術(shù)說明書給出，Y和Y′可分別通過冷熱源法測得，L中的反射系數(shù)Γin可以通過對自動源調(diào)配器校準(zhǔn)的數(shù)組中得到。因此可以得出在加入源調(diào)配器后測量的噪聲系數(shù)需要補償?shù)恼`差值ΔF。被測晶體管的噪聲系數(shù)隨著輸入端的反射系數(shù)變化而變化，因此，每調(diào)整一次源調(diào)配器，便可得到一個相對應(yīng)的噪聲系數(shù)及源反射系數(shù)Γ，并給予ΔF補償。

根據(jù)參考文獻可以知道，所有等噪聲系數(shù)圓的圓心都在同一直線上，因此可以先確定這條直線的角度，即所有圓心就都落在那條直線上，進而再確定具體圓心的坐標(biāo)。

首先，我們可以令源調(diào)配器在某一等反射系數(shù)圓上進行一維搜索，同時計算出所測量的各個點的噪聲系數(shù)并進行比較，直到找到此等反射系數(shù)圓上的最小噪聲系數(shù)點A，那么點A與原點的連線即為等噪聲系數(shù)圓所有圓心所在的直線。其次，沿著此直線(即保持反射系數(shù)的角度不變)在一定范圍內(nèi)進行一維搜索(即只改變反射系數(shù)的模值)，找出最小的噪聲系數(shù)點B。此時的B點就是噪聲系數(shù)的全局最小點，即最佳源反射系數(shù)Γopt對應(yīng)的最小噪聲系數(shù)Fmin。此時利用源反射系數(shù)Γs和Γopt表示源導(dǎo)納ys和yopt，即:



ys=1－Γs1+Γs

yopt=1－Γopt1+Γopt



代入:F=Fmin+rngsys－yopt2，得到:



F=Fmin+4rn|Γs－Γopt|2(1－|Γs|2)|1+Γopt|2



其中rn為歸一化等效噪聲電阻。

因而:



rn=(F－Fmin)(1－|Γs|2)|1+Γopt|24|Γs－Γopt|2

Rn=rnZ0

3 結(jié) 語

當(dāng)應(yīng)用自動源調(diào)配器在室溫下測量噪聲參數(shù)時，使用這種測量方法產(chǎn)生的誤差主要是由于被測件輸入端口的超噪比不恒定引起的，而調(diào)配器等無源器件自身產(chǎn)生的噪聲可以被忽略。因此，在使用調(diào)配器在系統(tǒng)中進行噪聲測量之前，應(yīng)該計算每次實際的誤差情況，只有這樣才能避免出現(xiàn)較高的噪聲值誤差偏離，這樣就潛在地提高了噪聲參數(shù)的測量精度。

參 考 文 獻

［1］廖承恩.微波技術(shù)基礎(chǔ)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1994.

［2］鄧次平.現(xiàn)代微波網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)論［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1994.

［3］梅勁松．軍用電子測量儀器應(yīng)用指南［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2001.

［4］湯世賢.微波測量［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1991.

［5］Caroline E McIntosh，Roger D Pollard，Robert E Miles.On the Feasibility of Using an Active Tuner for Measuring Microwave Noise Parameters.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1999，48(6):1 294-1 300.

［6］Hewlett Packard Company.Noise Figure Measurement Accuracy.Hewlett-Packard Applicat.，1988.

作者簡介 康凌志 男，1982年出生，碩士研究生。研究方向為微波電路的設(shè)計與測試。

王家禮 男，1943年出生，博士生導(dǎo)師。主要從事微波毫米波方向的研究，以及微波電路的設(shè)計和制作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。