基于矢量網絡分析儀功率測量的噪聲系數測量方法

郭海帆，陳建華，陳鑫友，秦 梅，周云鋒

（西南電子設備研究所，四川 成都 610036）

基于矢量網絡分析儀功率測量的噪聲系數測量方法

郭海帆，陳建華，陳鑫友，秦 梅，周云鋒

（西南電子設備研究所，四川 成都 610036）

現有基于矢量網絡分析儀進行噪聲系數測量的方法必須依賴標準的噪聲源，即Y系數測量法。該文提出一種通過在矢量網絡分析儀源端口輸出連續波信號，分別測量被測件的信號功率與信號加噪聲的功率，結合校準結果和功率測量結果計算獲得噪聲系數的方法。通過建立測量系統的模型和理論的推導，論述該方法的原理和測量過程的噪聲校準，提出的方法不需要使用經過校準具有已知超噪比的噪聲源，更簡單實用。

噪聲系數；噪聲功率；矢量網絡分析儀

0 引 言

噪聲系數測量是微波射頻專業的一種基本測量，目前，一些矢量網絡分析儀通過在內部或外部配備標準噪聲源，就能利用Y系數法進行噪聲系數測量。本文詳細介紹了一種簡便的基于矢量網絡分析儀測量噪聲系數的方法，這種方法不需要阻抗調諧和用噪聲源進行超噪比的校準，只需使矢量網絡分析儀源端口輸出連續波信號，利用內部不同的檢波器分別測量被測件的信號功率與信號加噪聲的功率，再基于校準的結果和測量得到的功率信息，即可計算出被測件的噪聲系數。

1 噪聲系數的定義

噪聲系數表示信號通過某電路網絡后信號噪聲比惡化的程度，是表征網絡內部噪聲大小的物理量，通常被定義為網絡的輸入信噪比與輸出信噪比的比值。

對于二端口網絡，噪聲系數為網絡輸入端的信噪比與網絡輸出端的信噪比的比值，即網絡的噪聲系數F。

式中：Si——二端口網絡輸入端信號功率；

Ni——二端口網絡輸入端噪聲功率，當輸入端為290K標準溫度時，Ni=kT0B=-174dBm/Hz；

S0——二端口網絡輸出端信號功率；

N0——二端口網絡輸出端噪聲功率。

圖1 多個模塊級聯示意圖

圖1為多個模塊級聯的示意圖，噪聲系數F為

其中n為級聯數。

2 矢量網絡分析儀測量噪聲系數的原理

使用矢量網絡分析儀測量被測件的噪聲系數的測量連接圖見圖2。

圖2 噪聲系數測量連接圖

為了便于分析噪聲系數的測量原理，可將圖2所示的系統采用圖3所示的系統模型進行模擬。

圖3 噪聲系數測量系統模型

在圖3的模型中，假設源發生器理想，除產生連續波信號外，僅產生理論噪聲功率N0=kT0B（T0=290K），信號源的其他額外噪聲可看作由一個虛擬的噪聲系數為Fs的放大器產生；而矢量網絡分析儀中的信號源產生的連續波信號可通過自身的源功率校準進行補償，因此，可認為信號源虛擬放大器的增益Gs=1。如果在連接被測件時使用了外部衰減或內部步進衰減器，可用功率增益GA＜1和噪聲系數表示，被測件的功率增益GD可通過一個矢量網絡分析儀測量獲得。與信號發生器類似，接收機的非理想的噪聲特性也可通過一個具備噪聲系數FR的虛擬放大器來建模；其不理想的連續波信號特性可通過一個傳統矢量網絡分析儀自身的接收機校準進行補償，因此，可認為接收機虛擬放大器的增益GR=1[1-3]。

基于上述模型，可得到模型系統的噪聲系數F為

根據系統級聯的噪聲系數公式可得圖3模型系統的噪聲系數F為

式中N0為已知量，被測件增益GD可通過網絡分析儀測量獲得，系統噪聲功率NR可通過網絡分析儀測量獲得，FS和FR可通過噪聲的測量校準過程獲得，從而最終獲得被測件的噪聲系數FD。

3 系統噪聲功率NR的測量

與目前廣泛使用的Y系數法測噪聲系數時要使用噪聲源的方法不同，在使用矢量網絡分析儀測量時，可直接利用數字中頻的優勢測量連續波信號的功率，通過采用平均和均方根的計算方法，分別獲得被測件的輸出信號在一定帶寬內的信號功率及信號加噪聲的功率，噪聲功率測量原理[4-5]如圖4所示。

假定Xi是一列矢量網絡分析儀采樣測量的值，為復數，可計算其平均值和均方根值。

式中M是采樣數，通過設置測量時間確定。通過增加測量時間，就可增加采樣點數和窄帶濾波器的帶寬，減小功率測量的變化量，從而得到更穩定的功率值。

由于被測件輸出的噪聲功率在信號功率的均方根值和平均值中的表現不同，因此，可由平均檢波器和均方根檢波器值計算噪聲功率。功率的平均值僅代表連續波的功率，均方根的平方代表在測量帶寬內總信號功率，包括連續波信號功率和噪聲功率。

圖4 噪聲功率測量原理圖

為便于詳細推導，假設經過下變頻、濾波輸入接收機的信號表達式為Xi=Si+ni，S為載波信號的幅度復數表達式，n為噪聲信號幅度復數表達式，可得平方檢波器的值為

式（12）中右邊第1項代表噪聲信號功率平均值，由于白噪聲在射頻和中頻域的平均值為0，式中的第2項會隨著一個大的M快速收斂于0，因此，通過式（12）很容易獲得系統噪聲功率。

當射頻信號下變頻至中頻時，使用雙邊帶變頻器，射頻頻率為fIF+fLO和fLO-fIF的信號經過下變頻后，都會落在中頻點上，而噪聲是寬譜的，會在兩個邊帶中出現，當噪聲信號經過變頻后，兩個邊帶的噪聲都被輸入了中頻接收機。由于網絡分析儀的功率校準是在信號功率上進行的，而實際噪聲功率在射頻域只會在1個邊帶中出現，是中頻或基帶域測得的噪聲功率的一半；因此，實際的系統噪聲功率為兩個平方律檢波器的差值的一半[6]。

式中RL=50 Ω，代表系統阻抗；系數2是上式去除網絡分析儀的鏡像響應，單邊變頻引入的噪聲功率；由式（13）可得到NR。

4 噪聲系數的測量校準

與測量S參數一樣，矢量網絡分析儀在用于噪聲系數測量時，需要進行有效的校準，校準過程除矢量網絡分析儀本身的校準外，還包括源噪聲的校準和接收機噪聲的校準，從而獲得FS和FR。在此僅對源噪聲的校準、接收機噪聲的校準方法和FS、FR的獲得進行闡述。在這兩項校準中，首先要進行接收機噪聲校準，再進行源噪聲的校準[7-8]。

1）接收機噪聲校準

接收機端口自身固有的噪聲可通過在接收機端口接一只50Ω匹配負載進行接收機校準，校準的模型如圖5所示。通過測量接收機的絕對噪聲NR，利用下式計算出接收機噪聲系數FR。圖5中的系統噪聲系數F即為FR。

圖5 接收機噪聲校準模型

2）源噪聲的校準

將源輸出端口直接接至接收機輸入端口，中間不接被測件，如果中間使用了外部衰減器，則在計算時考慮衰減值，校準的模型如圖6所示。通過測量接收機的絕對噪聲NR，結合接收機校準過程噪聲系數FR，可以利用式（17）計算源噪聲系數FS。

圖6 源噪聲校準模型

圖6所示的系統噪聲系數F為

其中通過網絡儀校準后，GS=1，GR=1。

圖6所示系統的噪聲系數按照級聯網絡噪聲系數計算可得：

由式（15）與式（16）相等可得：

Noise figure measurement based on power measurement from vector network analyzer

GUO Hai-fan，CHEN Jian-hua，CHEN Xin-you，QIN Mei，ZHOU Yun-feng
（Southwest China Research Institute of Electronic Equipment，Chengdu 610036，China）

The general noise figure measurement method based on vector network analyzer must depend on standard noise source，which is called the Y-factor measurement method.A noise figure measurement method was described in this paper，which used the CW signal from vector network analyzer source，and measured the signal power and the signal and noise power of the DUT respectively，and acquired noise figure by combining calibration results with power results.The principle of this measurement method and the calibration procedure were discussed by building measurement system model and deriving theory.This measurement method without a given ENR（express noise ratio）noise source is easy and practicable.

noise figure；noise power；vector network analyzer

TM935.2；TM933.3+3；TN911；TM930.12

：A

：1674-5124（2014)06-0035-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.009

2014-01-09；

：2014-03-08

郭海帆（1976-），女，河南西平縣人，高級工程師，碩士，主要從事無線電計量測試等工作。