自動源調配器測量晶體管噪聲參數的補償計算

摘 要：在微波噪聲參數測量系統中，通過使用自動源調配器來改變源反射系數的方法，可以方便地求出各個參數。根據對所引入的自動源調配器的分析，總結出源調配器自身的額外噪聲誤差是可以忽略的，并在對自動源調配器與噪聲源級聯后組成的單端口網絡進行誤差分析后，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測量時進行更大范圍的源阻抗調配，并提高噪聲測量的準確度。

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關鍵詞：自動源調配器；噪聲參數；超噪比；補償計算

中圖分類號：TN32文獻標識碼：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測量取決于其輸入端口的反射系數，只有通過設置任意的源反射系數才能較準確地描繪出四個噪聲參數的特征。通常需要使用源調配器在一定范圍內調節滑塊或探針的位置，進而改變被測器件輸入端的反射系數。由于任何測試設備都不可避免地產生損耗，并產生一定量級的噪聲，所以對于源調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，而是隨著調配器的調節過程產生變化。因此在測量噪聲參數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 測試分析及補償設計

對于噪聲參數的測量選擇典型的Y因子法，Y因子是網絡輸出端對應的源在冷熱不同工作狀態下的兩個相應資用輸出噪聲功率之比。如果網絡是理想的，不存在噪聲，則Y因子為兩個資用輸入噪聲功率之比；如果網絡存在噪聲，Y因子將隨網絡噪聲的增加而減小，他們之間存在一定的函數關系。因此測量網絡噪聲的大小可通過測量Y系數得到。

使用Y因子法則需要引入噪聲溫度的概念：若某個二端口網絡在特定頻率f下的噪聲功率譜密度為Sn(f) W/Hz，則假設有一個等效均勻加熱電阻在溫度Tn K時在頻率f下將產生相同的噪聲功率譜密度Sn(f) W/Hz，于是Tn便定義為二端口網絡的噪聲溫度。這時候的噪聲功率為N=KGTB，K波耳茲曼常數，B測試系統的帶寬，G系統增益，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表示冷態時系統測量的輸出噪聲功率；Nout2=GK(T2+Te)B表示熱態時系統測量的輸出噪聲功率。

整個噪聲測試系統方案如圖1所示。

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

圖1 噪聲測試系統方案

圖2 調配器自校準示意圖

按照測量頻率選擇合適的測量點并將每點的坐標及該點的反射系數以數組方式存儲起來，作為噪聲測量的校準數據。

校準后即可搭建整個測試系統，根據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，調配器的噪聲溫度(TTUN)不是290 K時，在上式已經給予了充分考慮，而且此時的噪聲溫度可以通過一個校準噪聲測量系統很容易的測得。在所有的噪聲系數測量中一個主要的引起誤差的原因，是由于源調配器和噪聲源級聯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時也產生了同一量級噪聲系數誤差。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。

假設噪聲源的輸出穩定，級聯源調配器后將兩者視為一個可變內阻的噪聲源，根據超噪比的定義:



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



設調配器處于溫度TTUN，損耗為L；噪聲源處于溫度Ts，則相應的等效噪聲溫度為:



T=TsL+1－1LTTUN



因此等效可變內阻噪聲源的超噪比為:



ENR′=TsL+1－1LTTUN－T0T0



圖3 級聯噪聲源

為簡單起見，不妨設TTUN=T0(無源調配器在室溫下)，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的公式如下:



F=1+TeT0=1+TH－YTC(Y－1)T0



級聯源調配器后噪聲系數測量值變化如下:



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Γin可以通過對自動源調配器校準的數組中得到。因此可以得出在加入源調配器后測量的噪聲系數需要補償的誤差值ΔF。被測晶體管的噪聲系數隨著輸入端的反射系數變化而變化，因此，每調整一次源調配器，便可得到一個相對應的噪聲系數及源反射系數Γ，并給予ΔF補償。

根據參考文獻可以知道，所有等噪聲系數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。

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

當應用自動源調配器在室溫下測量噪聲參數時，使用這種測量方法產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，而調配器等無源器件自身產生的噪聲可以被忽略。因此，在使用調配器在系統中進行噪聲測量之前，應該計算每次實際的誤差情況，只有這樣才能避免出現較高的噪聲值誤差偏離，這樣就潛在地提高了噪聲參數的測量精度。

參 考 文 獻

［1］廖承恩.微波技術基礎［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1994.

［2］鄧次平.現代微波網絡導論［M］.北京:國防工業出版社，1994.

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

［4］湯世賢.微波測量［M］.北京：國防工業出版社，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計與測試。

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

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。