康紅霞，楊寧彬，高 妍，楊曉敏

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

噪聲導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化，影響通訊質(zhì)量，低噪聲放大器(LNA)位于通信系統(tǒng)的前端，前端LNA的噪聲性能對(duì)系統(tǒng)的噪聲性能有決定性的影響，而噪聲系數(shù)是低噪聲放大器的關(guān)鍵指標(biāo),因此精確測(cè)量低噪聲放大器的噪聲系數(shù)非常重要，尤其是對(duì)于衛(wèi)星等航天產(chǎn)品功率受限，星間鏈路以更佳的發(fā)射接收性能實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的作用距離，星載低噪聲放大器的噪聲系數(shù)越來越小，如有的低至0.65 dB[1],產(chǎn)品頻段逐步提高，已有Q頻段產(chǎn)品[2]，對(duì)噪聲系數(shù)的測(cè)量精度提出了更高的要求。目前測(cè)量噪聲系數(shù)的方法主要有冷源法(也稱為直接法)，增益法和Y因子法[3-8]。傳統(tǒng)的冷源法測(cè)量精度較低，增益法受限于頻譜儀的噪聲基底測(cè)試精度難以提升，只適合10 dB以上噪聲系數(shù)的測(cè)試，Y因子法測(cè)試增益較低的被測(cè)件或者高頻段被測(cè)件時(shí)誤差較大且其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性高度依賴于匹配良好的優(yōu)質(zhì)源阻抗和負(fù)載阻抗。綜上所述，為了克服現(xiàn)有方法的缺陷,對(duì)于低噪聲放大器需要有更精確的噪聲系數(shù)測(cè)試方法。

在深入研究近年來國際上噪聲系數(shù)測(cè)試技術(shù)新進(jìn)展[9-13]的基礎(chǔ)上，本文提出矢網(wǎng)冷源噪聲系數(shù)測(cè)試方法，即用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(簡(jiǎn)稱矢網(wǎng))，結(jié)合冷源法噪聲系數(shù)測(cè)量，通過給出的矢量噪聲校準(zhǔn)及控制誤差的5項(xiàng)技術(shù)措施，有效提升了低噪聲放大器噪聲系數(shù)的測(cè)量精度，本文所述噪聲系數(shù)測(cè)試方法以下簡(jiǎn)稱矢網(wǎng)冷源法。

1 矢網(wǎng)冷源法

對(duì)于一個(gè)線性二端口網(wǎng)絡(luò) ，噪聲系數(shù)定義[3]為輸入端信噪比與輸出端信噪比的比值，噪聲系數(shù)常用噪聲因子的對(duì)數(shù)表達(dá)形式NF=10log(F)。其中噪聲因子式(1)中，

(1)

Si為輸入信號(hào)功率，Ni為輸入端噪聲功率，So為輸出信號(hào)功率，No為輸出端噪聲功率，Na為被測(cè)件的噪聲功率，k是玻爾茲曼常數(shù)1.38×10-23J/K，To是標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度290 K，B是噪聲帶寬，G是被測(cè)件增益。

冷源法噪聲系數(shù)測(cè)試原理如圖1所示，在被測(cè)件輸入端連接一個(gè)物理溫度為290 K的負(fù)載，在被測(cè)件的輸出端直接測(cè)試輸出噪聲功率，測(cè)試得到放大器的增益，由式(1)計(jì)算出噪聲因子。

(b)基本原理

精確的冷源法測(cè)量須具備的條件之一是高精度的被測(cè)件增益，矢網(wǎng)通過雙端口矢量誤差修正可以提供所需的精度。將冷源法與矢網(wǎng)特性相結(jié)合，通過在矢網(wǎng)內(nèi)配置阻抗調(diào)諧器和噪聲接收機(jī)組成的噪聲系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，能夠修正不完美的源匹配帶來的噪聲參數(shù)誤差和失配誤差，其原理如下：

一個(gè)產(chǎn)品在任何反射參數(shù)下的噪聲因子F都可以表述為4個(gè)變量Fmin、Γopt、Rn、Γs的式子[9]，式(2)中，Γopt為最佳復(fù)反射系數(shù)，是噪聲因子測(cè)量的最佳阻抗；Fmin為最小噪聲因子，發(fā)生在Γopt；Rn為噪聲電阻，是源阻抗改變時(shí)噪聲電平的變化率，是一個(gè)標(biāo)量；Γs為源阻抗；系統(tǒng)阻抗Zo一般為50 Ω。Γopt、Fmin、Rn是噪聲參數(shù)，是被測(cè)件的固有參數(shù)，式(2)表述了噪聲因子和噪聲參數(shù)的關(guān)系。式(2)也表明噪聲因子是源阻抗的函數(shù)，測(cè)量到的噪聲系數(shù)隨系統(tǒng)源阻抗的變化而變化。這種效應(yīng)既發(fā)生在被測(cè)件的輸入端，也發(fā)生在測(cè)試儀器的輸入端，如果不進(jìn)行修正，噪聲參數(shù)的影響會(huì)成為一個(gè)很大的誤差源。

(2)

矢網(wǎng)冷源法的修正方法如下：位于矢網(wǎng)端口1的阻抗調(diào)諧器以50 Ω附近為中心改變?cè)醋杩?，提供一組非50 Ω的阻抗，它們的值是已知的，在每個(gè)頻率點(diǎn)提供4～7種阻抗?fàn)顟B(tài)，在每種阻抗值測(cè)量來自被測(cè)件的噪聲功率。在校準(zhǔn)過程中測(cè)量得到4～7種阻抗?fàn)顟B(tài)的Γs，在對(duì)被測(cè)件測(cè)量過程中測(cè)量對(duì)應(yīng)的噪聲功率，得到4～7組對(duì)應(yīng)的阻抗-噪聲功率對(duì)，用來解出包括4個(gè)未知量(Γopt_幅度、Γopt_相位、Fmin、Rn)的噪聲參數(shù)方程組，再用解出來的噪聲參數(shù)由式(2)計(jì)算50 Ω處的噪聲系數(shù)。在測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)期間，在不同的源阻抗?fàn)顟B(tài)測(cè)量噪聲接收機(jī)的噪聲功率，用同樣的方法得到噪聲接收機(jī)的噪聲參數(shù)。上述方法通過獲得噪聲參數(shù)進(jìn)行源修正，很大程度上降低了噪聲參數(shù)效應(yīng)對(duì)噪聲系數(shù)帶來的影響；在系統(tǒng)校準(zhǔn)過程中也獲得了源端匹配Γs、噪聲接收機(jī)負(fù)載匹配參數(shù)Γr，被測(cè)件測(cè)試過程中獲得其輸入輸出端口的S11和S22，據(jù)此對(duì)測(cè)試過程中的失配誤差也進(jìn)行了修正，這是本方法提高精度的主要途徑。

圖2所示為設(shè)計(jì)的基于矢網(wǎng)冷源法的低噪聲放大器(DUT)噪聲系數(shù)測(cè)試框圖，其中矢網(wǎng)采用是德科技公司的PNA-X，用一個(gè)電子校準(zhǔn)件作阻抗調(diào)諧器，噪聲接收機(jī)專門用于測(cè)量噪聲功率，功率計(jì)通過GPIB接口與矢網(wǎng)連接，使用功率計(jì)和另外一個(gè)電子校準(zhǔn)件(虛線方框內(nèi)所示)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)通過LAN接口采集矢網(wǎng)的測(cè)試數(shù)據(jù)用于實(shí)時(shí)分析測(cè)量不確定度，測(cè)試人員根據(jù)分析情況可進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)置測(cè)試參數(shù)。

圖2 基于矢網(wǎng)冷源法的低噪聲放大器噪聲系數(shù)測(cè)試框圖

1.1 測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)

測(cè)試前測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)也是保證測(cè)量精度的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用的矢量噪聲校準(zhǔn)方法包括以下3步：

1)進(jìn)行源功率標(biāo)定。將功率計(jì)連接至矢網(wǎng)端口1進(jìn)行源功率校準(zhǔn)，校準(zhǔn)電平優(yōu)選0 dBm，通過帶向?qū)У男拚ヅ湔`差的功率校準(zhǔn)，使矢網(wǎng)噪聲接收機(jī)與功率計(jì)的頻率響應(yīng)有相同的準(zhǔn)確度。

2)噪聲接收機(jī)增益和噪聲系數(shù)標(biāo)定。用直通件連接矢網(wǎng)端口1和端口2,矢網(wǎng)先測(cè)試出噪聲接收機(jī)增益，再測(cè)出阻抗調(diào)諧器在4～7個(gè)阻抗?fàn)顟B(tài)的噪聲輸出功率、阻抗調(diào)諧器源匹配Γs和噪聲接收機(jī)負(fù)載匹配Γr。

3)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)S參數(shù)雙端口校準(zhǔn)。在矢網(wǎng)端口1和端口2之間連接校準(zhǔn)件，測(cè)出阻抗調(diào)諧器在4～7個(gè)阻抗?fàn)顟B(tài)下，不同源匹配時(shí)所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)誤差，然后作修正。校準(zhǔn)件可以為電子校準(zhǔn)件或機(jī)械校準(zhǔn)件，本文優(yōu)選精度更高的電子校準(zhǔn)件N4291B，其產(chǎn)生的S21不確定度為0.057 dB，而常見機(jī)械校準(zhǔn)件85052D的不確定度達(dá)0.166 dB[9]。

通過校準(zhǔn)得到了噪聲接收機(jī)的噪聲參數(shù)，校準(zhǔn)步驟1也可選用噪聲源方法，本文校準(zhǔn)優(yōu)選功率計(jì)法，校準(zhǔn)精度優(yōu)于噪聲源[11]校準(zhǔn)法。阻抗?fàn)顟B(tài)最少為4個(gè)，選用的阻抗?fàn)顟B(tài)越多，測(cè)量精度越高。

1.2 測(cè)試中控制誤差措施

實(shí)際測(cè)試過程中，還需要控制多項(xiàng)重要的誤差源，減少各個(gè)環(huán)節(jié)的誤差，給出如下5項(xiàng)具體措施：

1)根據(jù)低噪聲放大器特點(diǎn)優(yōu)化矢網(wǎng)激勵(lì)參數(shù)，提高S參數(shù)校準(zhǔn)精度，降低S21不確定度。低噪聲放大器在增益測(cè)試時(shí)輸入電平通常較低，如果按常規(guī)在校準(zhǔn)和測(cè)試時(shí)輸入端口都選擇低電平難以達(dá)到高的測(cè)量精度，可通過手動(dòng)選擇源端衰減器，在校準(zhǔn)和測(cè)量時(shí)保持該衰減器不變，校準(zhǔn)時(shí)提高電平，測(cè)試時(shí)再降低電平[14]。輸出端電平設(shè)置時(shí)先去耦合(矢網(wǎng)默認(rèn)兩個(gè)端口電平為耦合方式)，再獨(dú)立設(shè)置輸出端口為高電平，其原因是低噪聲放大器通常有很高的反向隔離度，反向測(cè)量時(shí)到達(dá)測(cè)量接收機(jī)的電平很低會(huì)影響S參數(shù)的測(cè)量精度，另外被測(cè)件輸出端口的S22用于噪聲修正，因此該端口功率必須足夠高，才能保證反射測(cè)量具有良好的信噪比；

2)避免噪聲接收機(jī)壓縮引起噪聲系數(shù)測(cè)量誤差。噪聲接收機(jī)增益有高、中、低三檔，測(cè)試時(shí)依據(jù)被測(cè)件增益與噪聲系數(shù)之和進(jìn)行選擇，需避免噪聲接收機(jī)工作于壓縮狀態(tài)，在考慮壓縮時(shí)須同時(shí)考慮被測(cè)件的增益和帶寬，因?yàn)殡S著增益和帶寬的增加，被測(cè)件輸出的噪聲功率在增大，當(dāng)噪聲接收機(jī)壓縮時(shí)，會(huì)導(dǎo)致噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果偏小，壓縮不確定度增大，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞噪聲接收機(jī)。如果儀器提示接收機(jī)壓縮，這時(shí)需降低接收機(jī)增益再進(jìn)行測(cè)試，不需重新校準(zhǔn)。噪聲接收機(jī)處于輕微壓縮狀態(tài)時(shí)儀器沒有提示信息，本文提出的測(cè)試過程中采用“實(shí)時(shí)不確定度分析”方法是判斷噪聲接收機(jī)是否壓縮的有效方法，有效降低壓縮不確定度；

3) 在噪聲功率測(cè)量中適當(dāng)增加噪聲接收機(jī)測(cè)量帶寬用以降低測(cè)量中的抖動(dòng)，但是接收機(jī)測(cè)量帶寬應(yīng)小于被測(cè)件帶寬。由于噪聲接收機(jī)測(cè)量的是隨機(jī)噪聲，各次采樣的測(cè)量結(jié)果之間必然會(huì)有抖動(dòng)。噪聲抖動(dòng)的大小與采樣次數(shù)的平方根成反比，而單位時(shí)間的采樣次數(shù)與帶寬成正比，因此較寬的帶寬可以在相同的時(shí)間內(nèi)提供更多的采樣數(shù)，從而在相同測(cè)量時(shí)間內(nèi)降低了抖動(dòng)；

4)在校準(zhǔn)過程和測(cè)試過程均選擇噪聲平均(Noise Averaging)以減小抖動(dòng)。如果在校準(zhǔn)過程中沒有使用噪聲平均，即使之后測(cè)試中使用噪聲平均，校準(zhǔn)過程中出現(xiàn)的噪聲也無法從后續(xù)測(cè)量中去除。在校準(zhǔn)和測(cè)試過程中推薦使用10～20次平均，增加平均次數(shù)會(huì)增加測(cè)量時(shí)間，平均次數(shù)選取應(yīng)在測(cè)量精度得到保證時(shí)，測(cè)試時(shí)間是可接受的；

5) 降低環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量的影響。記錄測(cè)試系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度用于計(jì)算輸入噪聲功率的修正值，在校準(zhǔn)向?qū)У妮斎肟蛟O(shè)置該環(huán)境溫度，該值應(yīng)該代表從校準(zhǔn)端面之前矢網(wǎng)的所有組件的平均溫度。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及測(cè)量不確定度分析

以一臺(tái)工作頻段在14 GHz～14.5 GHz的Ku頻段低噪聲放大器為例，用矢網(wǎng)冷源法和Y因子法進(jìn)行了實(shí)際的性能指標(biāo)測(cè)量，測(cè)試情況詳見2.1節(jié)和2.2節(jié)。

2.1 矢網(wǎng)冷源法測(cè)量結(jié)果

用PNA-X矢網(wǎng)對(duì)Ku頻段低噪聲放大器的噪聲系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，按照1.2節(jié)的原則設(shè)置矢網(wǎng)的端口電平、衰減器等參數(shù)，詳見表1，噪聲接收機(jī)選擇中檔增益。采用功率計(jì)和電子校準(zhǔn)件在校準(zhǔn)程序引導(dǎo)下校準(zhǔn)，然后按圖2連接被測(cè)件測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1，其測(cè)量不確定度分析結(jié)果見表2，對(duì)于正態(tài)分布，擴(kuò)展不確定度的置信區(qū)間約為95%[15]。

表1 測(cè)試參數(shù)設(shè)置及測(cè)試結(jié)果

表2 矢網(wǎng)冷源法測(cè)試噪聲系數(shù)測(cè)量不確定度分析

測(cè)試過程中，在首次測(cè)試完成后的不確定度分析結(jié)果中觀察到壓縮不確定度最大為0.06 dB，應(yīng)用第1.2節(jié)第2項(xiàng)技術(shù)措施，改選低增益檔測(cè)試，接收機(jī)壓縮不確定度降至0.005 dB，中心頻率處噪聲系數(shù)示值由1.65 dB變?yōu)?.79 dB。

2.2 Y因子法測(cè)量結(jié)果

噪聲系數(shù)分析儀測(cè)量原理是Y因子法，用N8975A噪聲系數(shù)分析儀對(duì)被測(cè)件進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試連接見圖3，噪聲測(cè)量帶寬4 MHz。首先用N4000A噪聲源連接至噪聲系數(shù)分析儀輸入端進(jìn)行校準(zhǔn)，然后接入被測(cè)件測(cè)量。表3顯示了使用Y因子法測(cè)試被測(cè)件的噪聲系數(shù)、增益的測(cè)試結(jié)果，其測(cè)量不確定度分析見表4。

圖3 基于Y因子法的低噪聲放大器噪聲系數(shù)測(cè)試框圖

表3 Y因子法測(cè)試參數(shù)設(shè)置及測(cè)試結(jié)果

表4 Y因子法測(cè)試噪聲系數(shù)測(cè)量不確定度分析

如表5所示，在14.25 GHz使用矢網(wǎng)冷源法測(cè)量的不確定度為0.17 dB,Y因子法測(cè)量的不確定度為0.38 dB。由此可見矢網(wǎng)冷源法的測(cè)量不確定度優(yōu)于Y因子法。

表5 矢網(wǎng)冷源法的測(cè)試結(jié)果與Y因子法測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

本文提出采用冷源法噪聲系數(shù)測(cè)試和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相結(jié)合并在過程中采用矢量噪聲校準(zhǔn)與計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)在線分析測(cè)量不確定度等措施測(cè)試低噪聲放大器噪聲系數(shù)的方法，可消除失配和噪聲參數(shù)誤差，這些誤差也存在于Y因子測(cè)試方法中，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)，表明矢網(wǎng)冷源法是提高低噪聲放大器噪聲系數(shù)測(cè)量精度的有效途徑。高精度的噪聲系數(shù)測(cè)量結(jié)果有助于更精確驗(yàn)證電路模型，優(yōu)化系統(tǒng)配置，提高系統(tǒng)工作能力，目前業(yè)界已有高達(dá)50 GHz的噪聲接收機(jī)選件可配置到矢網(wǎng)中，可用于如Ka[16]、Q等更高頻段低噪聲放大器采用矢網(wǎng)冷源法測(cè)試噪聲系數(shù)，并可進(jìn)一步推廣到行波管放大器的噪聲系數(shù)測(cè)試。