探索用于噪声系数测量的 Y 因子方法

时间：2023-06-12

NF指标使我们能够表征RF组件和系统的噪声性能。对于芯片制造商来说，进行NF测量的能力可以带来巨大的美元价值，因为需要的测量来保证优质产品实际上满足指定的噪声性能，从而可以以高价出售。因此，我们不应该惊讶地发现，几十年来已经进行了大量的研究来改进噪声系数测量的方法。一种流行的技术是 Y 因子方法，这是本文的重点。

使用双端口器件测量噪声系数

考虑一个双端口器件，在T的温度下连接到源极电阻R，如下图1所示。

连接到源电阻的双端口器件示意图。

图 1. 连接到源电阻的双端口设备图。

总输出噪声 No与源电阻温度 T 的关系如图 2 所示。

显示总输出噪声与源电阻温度的关系图。

图 2. 显示总输出噪声与源电阻温度的关系图。

如果 RS 无噪声（即 T = 0 K），输出端出现的噪声是被测器件的噪声，用 N 表示o（已添加）.当我们提高R的温度时S，其噪声贡献上升。寻找噪声系数的设备实际上相当于找到上面的“噪声线”。有两种方法可以指定一条线：通过位于线上的两个点;或通过单个点和线的坡度。Y因子方法实际上测量噪声线的两个点，并使用该信息来查找被测器件（DUT）的噪声因子。另一种噪声系数测量方法是冷源法通过查找线路上的单个点以及线路的斜率（kBG）来确定噪声因子。

考虑到这一点，让我们看一下 Y 因子方法。

使用 Y 因子方法查找噪声因子

图 3 显示了 Y 因子方法的基本框图。

Y因子法框图。

图3. Y因子法框图。

为了找到噪声线的两个不同点，我们需要对输入应用两个不同的噪声电平。所需的输入噪声功率是通过在温度T下连接两个匹配的电阻器产生的c 和 Th 到被测器件的输入。对于Y因子方法，更容易通过等效物对DUT的噪声性能进行建模噪音温度/ 7e.如果 DUT 添加的输出噪声为 No（已添加），其噪声温度由下式给出：

Te=No（added）kBG $T_{e} = \frac{N_{o （ a d d e d ）}}{k B G}$

其中 k 是玻尔兹曼常数，B 和 G 是 DUT 的带宽和可用功率增益。通过噪声温度对组件的噪声进行建模，我们可以很容易地找到两个输入噪声电平的输出噪声。热源在T处的输出噪声功率h 在公式1中给出。

$N_{h} = k T_{h} B G + k T_{e} B G$

等式 1.

类似地，冷源的输出噪声Tc，可通过公式 2 找到。

$N_{c} = k T_{c} B G + k T_{e} B G$

等式 2.

在上面的一组方程中：

Te 和产品BG未知
两个输入端的噪声温度，Th 和 Tc，以具有高度的准确性而闻名
N h 和 N c 是测量值

如果我们用方程式 1 除以方程式 2，BG 项就消失了，我们得到方程式 3。

$Y = \frac{N_{h}}{N_{c}} = \frac{T_{h} + T_{e}}{T_{c} + T_{e}}$

等式 3。

这个比率被称为 Y 因子。使用一点代数，上面的等式在等式 4 中给出了 DUT 的噪声温度。

$T_{e} = \frac{T_{h} ? Y T_{c}}{Y ? 1}$

等式 4。

有了 T e，我们可以应用以下等式来找到噪声因子：

$F = 1 + \frac{T_{e}}{T_{0}}$

校准步骤——校准噪声和接收机噪声温度

Y 因子方法原则上很简单。然而，在实践中，有一些复杂的问题需要特别注意。这些错综复杂的问题之一是测量设备增加的噪音。这在下面的图 4 中进行了说明。

显示噪声放大器和噪声测量接收器的框图。

图4. 显示噪声放大器和噪声测量接收器的框图。

如上图所示，测得的输出噪声功率为Nh 和 Nc，受到测量设备噪音的影响。换句话说，通过替换 Nh 和 Nc 在等式3和4中，我们实际上找到了由DUT和测量设备组成的两级级联系统的噪声温度。应用弗里斯方程，两级级联系统的噪声温度为公式5。

$T_{c a s} = T_{D U T} + \frac{T_{R e c e i v e r}}{G_{D U T}}$

等式 5.

哪里：

T欧盟五国和 T接收器是被测和检测设备和测量设备的噪声温度
G被测器是 DUT 的可用功率增益

当DUT增益超过30 dB时，我们可以忽略第二级的噪声，并假设T中国科学院 ? 吨被测器.但是，当不满足此条件时，我们必须使用校准步骤来纠正第二阶段产生的误差。期间校准步骤，噪声源直接连接到“噪声测量接收器”，并应用Y因子方法来确定接收器的噪声温度（图5）。

显示Y因子方法的框图适用于求接收器的噪声温度。

图5. 显示Y因子方法的框图适用于求接收器的噪声温度。

将冷热噪声功率应用于测量设备，我们从校准系统的噪声线获得两个点，NH， Cal 和 NC，校准.现在我们可以找到校准设置的 Y 因子：

$Y_{c a l} = \frac{N_{h ， c a l}}{N_{c ， c a l}} = \frac{T_{h} + T_{R e c e i v e r}}{T_{c} + T_{R e c e i v e r}}$

通过重新排列上述等式，我们得到接收器噪声温度：

$T_{R e c e i v e r} = \frac{T_{h} ? Y_{c a l} T_{c}}{Y_{c a l} ? 1}$

总而言之，校准步骤（图5）测量仪器本身并确定T接收器.接下来，在 DUT 就位的情况下（图 4），级联系统的噪声温度 T中国科学院被发现。，假设DUT的增益是已知的，我们代入T接收器和 T中国科学院进入公式5，得到T被测器.大多数情况下，DUT的增益是未知的。但是，上述测量值可用于轻松找到G被测器.

计算被测器件增益

从测量设置中获得的噪声功率—Nh 和 Nc 在图 4 中 — 体验 DUT 的增益;但是，NH，钙，和 NC，校准没有这种增益（图 5）。因此，G被测器可以通过公式6估算。

$G_{D U T} = \frac{N_{h} ? N_{c}}{N_{h ， c a l} ? N_{c ， c a l}}$

等式 6.

在上一篇文章中，我们讨论了噪声系数定义中使用的功率增益是可用功率增益G一个.应该注意的是，我们从公式6获得的功率增益不等于G一个.为了区分这两种功率量，公式6给出的功率称为插入增益。这将在下一篇文章中更详细地讨论。

插入增益—使用二极管实现噪声源

为了产生所需的输入噪声水平，我们可以在控制的物理温度下使用两个匹配的电阻。例如，通过将电阻器浸入液氮（Tc = 77 K）或液氦（Tc = 4 K）。传统上，热电阻器放置在沸水或冰水中。虽然早期的噪声源依赖于调节源电阻的物理温度，但今天的有源噪声源通常使用二极管或管来提供校准的噪声水平。图6显示了基于二极管的噪声源的简化框图。

基于二极管的噪声源的简化框图。

图6. 基于二极管的噪声源的简化框图。

当连接 28 V 电源时，二极管反向偏置到雪崩区，产生大量噪声。另一方面，当电源断开时，输出端只会出现少量噪声。 RF 扼流圈 (RFC) 只是一个足够大的电感器，可以在所有相关频率下被视为开路。衰减器帮助我们降低失配不确定性.它确保无论二极管是导通还是关断，噪声源在输出端都表现出相对恒定、定义明确的匹配。虽然噪声二极管的物理温度为室温，但它会产生异常“热”的噪声水平。例如，在 10,000 K 的范围内，高于任何已知金属的熔点。现代噪声源产生的噪声随时间稳定，频率范围宽，反射系数低。

过大的噪声比公式

过高的噪声比 (ENR) 是表征有源噪声源产生的噪声的常用方法。以分贝为单位的 ENR 定义为：

$E N R (d B) = 10 l o g (\frac{T_{h} ? T_{c}}{T_{0}})$

在哪里：

T h 和 T c 是噪声源在其 ON 和 OFF 状态下的噪声温度
T 0 是 290 K 的参考温度

请注意，ENR 的早期定义是：

$E N R (d B) = 10 l o g (\frac{T_{h} ? T_{0}}{T_{0}})$

该定义基于 T c 等于 T 0的假设。在我们的测量中通常不会出现这种情况。然而，噪声源制造商提供的校准 ENR 值通常以 T 0 = 290 K 为参考。例如，如果 ENR 指定为 15 dB，则我们有 T h = 9460.6 K。商业噪声常见的 ENR 值源是 5、6 和 15 dB。也有 ENR 值较高的噪声源，例如 25 dB，但 ENR 值高于 15 dB 的噪声源的可用性是有限的。

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