如何使用鼎阳科技SSA5000A频谱仪快速有效地进行高质量的噪声系数测量？

1  噪声系数分析功能
本文将演示如何使用鼎阳科技SSA5000A频谱仪的噪声系数分析功能来快速有效地进行高质量的噪声系数测量。
 
1.1噪声系数的基础知识
1.1.1什么是噪声系数
噪声即元件或系统内部产生的干扰，从而导致电路的性能恶化；对噪声的量化主要有3个参数：噪声系数(NF)、噪声因子(F)、等效噪声温度(Te)。

噪声因子(F)的定义是输入信号的SNR(信噪比)除以输出信号的SNR：F = (Sin/Nin)/(Sout/Nout)，式中，Sin =输入信号的功率；Sout =输出信号的功率；Nin =输入噪声功率；Nout =输出噪声功率。

把噪声因子用分贝(dB)来表示就是噪声系数(NF)：NF (dB) = 10*log (F)。由于微波网络本身会产生噪声，其输出端的SNR要比输入端的SNR小，即噪声因子F要大于1，或者说噪声系数NF要大于0 dB，噪声系数表征了微波网络使SNR降低的程度。

大部分LNA用噪声系数来描述，但当LNA的噪声系数小于1 dB时常用Te来描述其噪声特征：Te = 290*(F-1)。此公式表述了噪声系数与噪声温度的关系：NF (dB) = 10*lg (1+ Te /290)。
 
1.1.2噪声系数的测量方法
两种测量噪声系数的主要方法：Y因子法和冷源法。鼎阳科技SSA5000A频谱分析仪使用Y因子法测量噪声系数，矢量网络分析仪测量噪声系数常采用冷源法。在本文中我们讨论Y因子法。

噪声源是Y因子法测量必不可少的设备，噪声源是能产生两种不同噪声功率的噪声发生器，通常需 DC脉冲电源驱动电压，当DC驱动电压供电时相当于噪声源开，称为热态，此时输出大的噪声功率；电源关闭时相当于噪声源关，称为冷态，此时输出常温下的噪声功率。对于一个给定的噪声源， ENR的值会随着频率而变化。根据内部衰减器的不同，典型噪声源的ENR标称值的范围在6 dB到15 dB之间。使用噪声源可以在被测器件的输出端口得到两个噪声功率的测量结果，这两个测量结果的比值(称为Y因子)可用来计算噪声系数：NF=ENR-10lg(Y-1)，ENR一般由噪声源的规格书给出。

图 1–1 NSD28

 
1.2放大器测量
本节使用一个频率范围为DC-10 GHz的低噪声放大器作为DUT和是德科技346系列噪声源为例，演示如何使用SSA5000A的噪声系数分析功能来快速有效地进行噪声系数测量。

表 1‑1 DUT Specifications

1.2.1噪声系数测量的校准
为了精确测量噪声系数，在测量 DUT之前，必须首先对测量系统进行校准，以识别并校正系统的固有噪声系数，从总噪声系数测量值中去除所测量的仪器噪声系数，从而仅显示DUT的噪声系数和增益。

图 1–2 噪声系数测量校准的连接设置

操作步骤：

开机预热30分钟后点击左上角的Spectrum Analyzer频谱分析，进入窗口管理页面，点击 噪声系数 > 噪声系数 添加噪声系数分析的窗口，此时频谱仪工作在噪声系数测量的模式。

连接噪声源：按照图 1–2中的校准设置，连接噪声源和频谱分析仪。分析仪通过USB连接控制噪声源，将噪声源的输出直接接入到分析仪的射频信号输入端。

设置幅度：选择 AMPTD ，当进入噪声系数模式时，内部前置放大器会自动开启，自动模式下输入衰减值固定为0。

设置频率：选择 FREQ ，设置起始频率为10 MHz，终止频率为10 GHz，扫描点数为11。

ENR设置：选择 Meas Setup > 超噪比 > 编辑超噪比 填入ENR表，为一系列频率和频率对应的ENR值。

保存ENR表：选择Meas Setup > 超噪比 > 保存，保存填入的 ENR 值并在界面上显示  验证数据已正确传输。

图 1–3 ENR table

设置平均：选择 Meas Setup > 设置，平均次数为10并按平均切换到开。

执行校准：选择 Meas Setup > Cail > 开始校准 > Enter。 

图 1–4 噪声系数测量校准

在表格中查看结果：选择 Trace > Format > 布局 > 表格，校准完成且未插入待测器件时，增益和噪声系数均接近0 dB，这表明分析仪已经从测量系统中去除了噪声成分，使用表格布局模式可以更好地查看结果。

图 1–5 噪声系数测量校准

1.2.2噪声系数和增益测量
校准完成之后，保持分析仪对噪声源的控制，将噪声源的输出接入DUT的输入，DUT的输出接入到分析仪的射频信号输入口。

图 1–6 噪声系数测量的连接设置

连接DUT和噪声源后，测量结果出现在分析仪的显示屏上。结果表明，DUT的噪声系数为6.12 dB，增益为26.69 dB。因此被测器件在目标频率范围内符合制造商的规格。

图 1–7 噪声系数测量结果

 
1.2.3增益测量法
在先进的噪声系数测量应用出现以前，工程师们就想到了很多简易的噪声系数测量方法，其特点是所需要的设备少，操作简单，但测量精度不高，应用范围比较窄，虽然如此，过去被广泛使用的简易测量方法在今天的部分领域仍有一定的应用价值。我们用增益法对测量结果进行一个简单的验算，这种方法的精度低于需要经噪声源校准的Y因子法，与分析仪幅度精度相当。

DANL 反映了分析仪能够测量到的最小电平，也反映了分析仪内部噪声的高低。在分析仪的输入端连接一个 50Ω的匹配负载或者直接将输入接口悬空，测得DANL为-161.92 dBm/Hz。然后将放大器的输出接入到分析仪的输入，放大器的输入端连接一个 50Ω的匹配负载或者直接悬空，不接电源测得噪声功率谱密度为-161.97 dBm/Hz，接上电源测得噪声功率谱密度为-142.05 dBm/Hz。

操作步骤：

选择 FREQ，设置中心频率为5 GHz，扫宽为10 MHz。

选择 AMPTD，设置衰减为0 dB，打开预置放大器。

选择 BW，设置分辨率带宽为3 MHz。

选择 Trace > 检波 > 平均。

选择 Marker > 光标功能 > 噪声光标。

图 1–8 分析仪的噪声功率谱密度

图 1–9 未接电源的噪声功率谱密度

图 1–10 接上电源的噪声功率谱密度

 
噪声系数换算成对数形式为:

NF(dB)=10lgF=10lg P_out/(GkT_0 B)=10lgP_out-10lgG-10lgB-10lgkT_0

    =P_out (( dBm)/Hz)+174(( dBm)/Hz)-Gain(dB)=-142+174-26=6

 
因此增益测量法需要得到DUT的增益和DUT输入端接物理温度为 290K电阻时其输出端的噪声功率谱密度，室温环境的热噪声是-174 dBm/Hz（常温下 DANL 的理论最小值），功率谱密度的测量可由分析仪测得，测量的最大局限性来自分析仪的底噪。因为低增益、小噪声系数的DUT，其输出端的P_out (( dBm)⁄Hz)很小，往往远小于一般分析仪的底噪，所以增益测量法只适用于高增益、大噪声系数的DUT。