測量射頻器件噪聲系數(shù)的三種方法

在無線通信系統(tǒng)中，噪聲系數(shù)(NF)或者相對(duì)應(yīng)的噪聲因數(shù)(F)定義了噪聲性能和對(duì)接收機(jī)靈敏度的貢獻(xiàn)。本文詳細(xì)闡述這個(gè)重要的參數(shù)及其不同的測量方法。

　　噪聲因數(shù)和噪聲系數(shù)

　　噪聲系數(shù)有時(shí)也指噪聲因數(shù)。兩者簡單的關(guān)系為：

　　NF=10*log10(F)

　　定義噪聲系數(shù)(噪聲因數(shù))包含了射頻系統(tǒng)噪聲性能的重要信息，標(biāo)準(zhǔn)的定義為：

　　從這個(gè)定義可以推導(dǎo)出很多常用的噪聲系數(shù)(噪聲因數(shù))公式。

　　噪聲系數(shù)的測量方法隨應(yīng)用的不同而不同。從表1可看出，一些應(yīng)用具有高增益和低噪聲系數(shù)(低噪聲放大器(LNA)在高增益模式下)，一些則具有低增益和高噪聲系數(shù)(混頻器和LNA在低增益模式下)，一些則具有非常高的增益和寬范圍的噪聲系數(shù)(接收機(jī)系統(tǒng))。因此測量方法必須仔細(xì)選擇。本文中將討論噪聲系數(shù)測試儀法和其他兩個(gè)方法：增益法和Y系數(shù)法。

　　使用噪聲系數(shù)測試儀

　　噪聲系數(shù)測試/分析儀在圖1種給出。

　　圖1。
噪聲系數(shù)測試儀，如Agilent公司的N8?73A噪聲系數(shù)分析儀，產(chǎn)生28V DC脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)噪聲源(HP346A/B)，該噪聲源產(chǎn)生噪聲驅(qū)動(dòng)待測器件(DUT)。使用噪聲系數(shù)分析儀測量待測器件的輸出。由于分析儀已知噪聲源的輸入噪聲和信噪比，DUT的噪聲系數(shù)可以在內(nèi)部計(jì)算和在屏幕上顯示。對(duì)于某些應(yīng)用(混頻器和接收機(jī))，可能需要本振(LO)信號(hào)，如圖1所示。當(dāng)然，測量之前必須在噪聲系數(shù)測試儀中設(shè)置某些參數(shù)，如頻率范圍、應(yīng)用(放大器/混頻器)等。

　　使用噪聲系數(shù)測試儀是測量噪聲系數(shù)的最直接方法。在大多數(shù)情況下也是最準(zhǔn)確地。工程師可在特定的頻率范圍內(nèi)測量噪聲系數(shù)，分析儀能夠同時(shí)顯示增益和噪聲系數(shù)幫助測量。分析儀具有頻率限制。例如，AgilentN8?73A可工作頻率為10MHz至3GHz。當(dāng)測量很高的噪聲系數(shù)時(shí)，例如噪聲系數(shù)超過10dB，測量結(jié)果非常不準(zhǔn)確。這種方法需要非常昂貴的設(shè)備。

　　增益法

　　前面提到，除了直接使用噪聲系數(shù)測試儀外還可以采用其他方法測量噪聲系數(shù)。這些方法需要更多測量和計(jì)算，但是在某種條件下，這些方法更加方便和準(zhǔn)確。其中一個(gè)常用的方法叫做“增益法”，它是基于前面給出的噪聲因數(shù)的定義：

　　在這個(gè)定義中，噪聲由兩個(gè)因素產(chǎn)生。一個(gè)是到達(dá)射頻系統(tǒng)輸入的干擾，與需要的有用信號(hào)不同。第二個(gè)是由于射頻系統(tǒng)載波的隨機(jī)擾動(dòng)(LNA，混頻器和接收機(jī)等)。第二種情況是布朗運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，應(yīng)用于任何電子器件中的熱平衡，器件的可利用的噪聲功率為：

　　PNA=kTΔF

　　這里的k等于波爾茲曼常量(1.38*10-23焦耳/ΔK)，T為溫度，單位為開爾文，ΔF=噪聲帶寬(Hz)。在室溫(290ΔK)時(shí)，噪聲功率譜密度PNAD-174dBm/Hz.因而我們有以下的公式：

　　NF=PNOUT-(-174dBm/Hz+20*log10(BW)+Gain)

　　在公式中，PPNOUT是已測的總共輸出噪聲功率，-174dBm/Hz是290°K時(shí)環(huán)境噪聲的功率譜密度。BW 是感興趣的頻率帶寬。Gain是系統(tǒng)的增益。NF是DUT的噪聲系數(shù)。公式中的每個(gè)變量均為對(duì)數(shù)。為簡化公式，我們可以直接測量輸出噪聲功率譜密度 (dBm/Hz)，這時(shí)公式變?yōu)椋?/p>

　　NF=PNOUTD+174dBm/Hz-Gain

　　為了使用增益法測量噪聲系數(shù)，DUT的增益需要預(yù)先確定的。DUT的輸入需要端接特性阻抗(射頻應(yīng)用為50Ω，視頻/電纜應(yīng)用為75Ω)。輸出噪聲功率譜密度可使用頻譜分析儀測量。

　　增益法測量的裝置見圖2。

　　圖2。

　　作為一個(gè)例子，我們測量MAX2700噪聲系數(shù)的。在指定的LNA增益設(shè)置和VPAGC下測量得到的增益為80dB。接著，如上圖裝置儀器，射頻輸入用50Ω負(fù)載端接。在頻譜儀上讀出輸出噪聲功率譜密度為-90dBm/Hz。為獲得穩(wěn)定和準(zhǔn)確的噪聲密度讀數(shù)，選擇最優(yōu)的解析帶寬(RBW)與視頻帶寬(VBW)為RBW/VBW=0.3。計(jì)算得到的NF為：

　　-90dBm/Hz+174dBm/Hz-80dB=4.0dB

　　只要頻譜分析儀允許，增益法可適用于任何頻率范圍內(nèi)。最大的限制來自于頻譜分析儀的噪聲基底。在公式中可以看到，當(dāng)噪聲系數(shù)較低(小于10dB)時(shí)，(PNOUTD-Gain) 接近于-170dBm/Hz，通常LNA的增益約為20dB。這樣我們需要測量-150dBm/Hz的噪聲功率譜密度，這個(gè)值低于大多數(shù)頻譜儀的噪聲基底。在我們的例子中，系統(tǒng)增益非常高，因而大多數(shù)頻譜儀均可準(zhǔn)確測量噪聲系數(shù)。類似地，如果DUT的噪聲系數(shù)非常高(比如高于30dB)，這個(gè)方法也非常準(zhǔn)確。
Y因數(shù)法

　　Y因數(shù)法是另外一種常用的測量噪聲系數(shù)的方法。為了使用Y因數(shù)法，需要ENR(冗余噪聲比)源。這和前面噪聲系數(shù)測試儀部分提到的噪聲源是同一個(gè)東西。裝置圖見圖3。

　　圖3。

　　ENR頭通常需要高電壓的DC電源。比如HP346A/B噪聲源需要28伏DC。這些ENR頭能夠工作在非常寬的頻段(例如HP346A/B為 10MHz至18GHz)，在特定的頻率上本身具有標(biāo)準(zhǔn)的噪聲系數(shù)參數(shù)。表2給出具體的數(shù)值。在標(biāo)識(shí)之間的頻率上的噪聲系數(shù)可通過外推法得到。

　　開啟或者關(guān)閉噪聲源(通過開關(guān)DC電壓)，工程師可使用頻譜分析儀測量輸出噪聲功率譜密度的變化。計(jì)算噪聲系數(shù)的公式為:

　　在這個(gè)式子中，ENR為上表給出的值。通常ENR頭的NF值會(huì)列出。Y是輸出噪聲功率譜密度在噪聲源開啟和關(guān)閉時(shí)的差值。這個(gè)公式可從以下得到。

　　ENR噪聲頭提供兩個(gè)噪聲溫度的噪聲源：熱溫度時(shí)T=TH(直流電壓加電時(shí))和冷溫度T=290°K。ENR噪聲頭的定義為：

　　冗余噪聲通過給噪聲二極管加偏置得到?，F(xiàn)在考慮在冷溫度T=290°K時(shí)與在熱溫度T=TH時(shí)放大器(DUT)功率輸出比：

　　Y=G(Th+Tn)/G(290+Tn)=(Th/290+Tn/290)/(1+Tn/290)

　　這就是Y因數(shù)法，名字來源于上面的式子。

　　根據(jù)噪聲系數(shù)定義，F(xiàn)=Tn/290+1，F(xiàn)是噪聲因數(shù)(NF=10*log(F))，因而Y=ENR/F+1。在這個(gè)公式中，所有變量均是線性關(guān)系，從這個(gè)式子可得到上面的噪聲系數(shù)公式。

　　我們?cè)俅问褂肕AX2700作為例子演示如何使用Y因數(shù)法測量噪聲系數(shù)。裝置圖見圖3。連接HP346AENR到RF的輸入。連接28V直流電壓到噪聲源頭。我們可以在頻譜儀上監(jiān)視輸出噪聲功率譜密度。開/關(guān)直流電源，噪聲譜密度從-90dBm/Hz變到-87dBm/Hz。所以 Y=3dB。為了獲得穩(wěn)定和準(zhǔn)確的噪聲功率譜密度讀數(shù)，RBW/VBW設(shè)置為0.3。從表2得到，在2GHz時(shí)ENR=5.28dB，因而我們可以計(jì)算 NF的值為5.3dB。

　　本文小結(jié)

　　本文討論了測量射頻器件噪聲系數(shù)的三種方法。每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用于特定的應(yīng)用。表3是三種方法優(yōu)缺點(diǎn)的總結(jié)。理論上，同一個(gè)射頻器件的測量結(jié)果應(yīng)該一樣，但是由于射頻設(shè)備的限制(可用性、精度、頻率范圍、噪聲基底等)，必須選擇最佳的方法以獲得正確的結(jié)果。