了解如何使用 Y 因子方法測量噪聲系數 (NF)。我們將深入研究如何使用它來查找噪聲因子、如何校準噪聲溫度等等。

NF 指標使我們能夠表征 RF 組件和系統的噪聲性能。進行準確的 NF 測量的能力可以為芯片制造商帶來巨大的美元價值，因為需要準確的測量來保證優質產品真正滿足指定的噪聲性能，從而可以高價出售。因此，當我們發現數十年來為改進噪聲系數測量方法進行了大量研究時，我們應該不會感到驚訝。一種流行的技術是 Y 因子方法，這是本文的重點。

使用雙端口設備進行噪聲系數測量

考慮一個連接到源電阻 R 的雙端口設備，溫度為 T，如下圖 1 所示。

圖 1.連接到源電阻的雙端口設備圖。

總輸出噪聲 No與源電阻溫度 T 的關系如圖 2 所示。

圖 2.顯示總輸出噪聲與源電阻溫度的關系圖。

如果 RS是無噪聲的——即 T = 0 K——出現在輸出端的唯一噪聲將是被測設備的噪聲，用 No(added)表示。當我們提高 R S的溫度時，它的噪聲貢獻會增加。求出器件的噪聲系數，其實就等同于求出上面的“噪聲線”。指定直線有兩種方法：通過位于直線上的兩個點；或通過一個點和直線的斜率。Y 因子方法實際上測量噪聲線的兩個點，并使用該信息來找到被測設備 (DUT) 的噪聲因子。另一種噪聲系數測量方法是冷源法通過找到線上的單個點以及線的斜率 (kBG) 來確定噪聲因子。

考慮到這一點，讓我們來看看 Y 因子方法。

使用 Y 因子方法查找噪聲因子

圖 3 顯示了 Y 因子方法的基本框圖。

圖 3.Y 因子方法的框圖。

要找到噪聲線的兩個不同點，我們需要對輸入應用兩個不同的噪聲電平。所需的輸入

噪聲功率是通過將兩個溫度分別為 Tc 和 Th 的匹配電阻器連接到DUT的輸入端來產生的。對于 Y 因子方法，更容易通過 DUT 的等效噪聲溫度Te對 DUT 的噪聲性能進行建模。如果 DUT 添加的輸出噪聲為 No(added)，則其噪聲溫度由下式給出：

其中 k 是玻爾茲曼常數，B 和 G 是 DUT 的帶寬和可用功率增益。通過組件的噪聲溫度對組件的噪聲進行建模，我們可以輕松找到兩個輸入噪聲水平的輸出噪聲。等式 1 給出了Th處熱源的輸出噪聲功率。

等式 1。

同樣，冷源的輸出噪聲 Tc可通過公式 2 求出。

等式 2。

在上面的方程組中：

Te和產品 BG 未知

眾所周知，兩個輸入 Th 和 T c 的噪聲溫度具有高精度

Nh和 Nc是測量值

如果我們用方程式 1 除以方程式 2，BG 項就消失了，我們得到方程式 3。

等式 3。

這個比率被稱為 Y 因子。使用一點代數，上面的等式在等式 4 中給出了 DUT 的噪聲溫度。

等式 4。

有了 Te，我們可以應用以下等式來找到噪聲因子：

校準步驟——校準噪聲和接收機噪聲溫度

Y 因子方法原則上很簡單。然而，在實踐中，有一些復雜的問題需要特別注意。這些錯綜復雜的問題之一是測量設備增加的噪音。這在下面的圖 4 中進行了說明。

圖 4.顯示噪聲放大器和噪聲測量接收器的框圖。

如上圖所示，測得的輸出噪聲功率 Nh和 Nc受測量設備噪聲的影響。換句話說，通過將 Nh和 Nc代入方程式 3 和 4，我們實際上是在計算由 DUT 和測量設備組成的兩級級聯系統的噪聲溫度。應用Friis 方程，兩級級聯系統的噪聲溫度給出方程 5。

等式 5。

在哪里：

TDUT和 TReceiver是 DUT 和測量設備的噪聲溫度

GDUT是 DUT 的可用功率增益

當 DUT 增益超過 30 dB 時，我們可以忽略來自第二級的噪聲并假設 Tcas? TDUT。但是，當不滿足此條件時，我們必須使用校準步驟來糾正第二階段產生的錯誤。在校準步驟中，噪聲源直接連接到“噪聲測量接收機”，并應用 Y 因子法確定接收機的噪聲溫度（圖 5）。

圖 5.顯示 Y 因子方法適用于查找接收器噪聲溫度的方框圖。

將冷熱噪聲功率施加到測量設備上，我們從校準系統的噪聲線上得到兩個點，Nh, cal和 Nc, cal。現在我們可以找到校準設置的 Y 因子：

通過重新整理上式，我們得到接收器噪聲溫度：

總而言之，校準步驟（圖 5）測量儀器本身并確定 TReceiver。接下來，在 DUT 就位的情況下（圖 4），可以找到級聯系統的噪聲溫度 Tcas 。最后，假設 DUT 的增益已知，我們將 TReceiver和 Tcas代入等式 5 以獲得 TDUT。大多數情況下，DUT 的增益是未知的。然而，上述測量可用于輕松找到 GDUT。

計算被測設備增益

從測量設置中獲得的噪聲功率——圖 4 中的 Nh和 Nc——經歷了 DUT 的增益；但是，Nh, cal和 Nc, cal沒有這種增益（圖 5）。因此，可以通過公式 6 估算GDUT 。

等式 6。

在之前的文章中，我們討論了噪聲系數定義中使用的功率增益是可用功率增益 GA。應該注意的是，我們從等式 6 中獲得的功率增益不等于 GA。為了區分這兩個功率量，公式 6 給出的功率稱為插入增益。這將在下一篇文章中更詳細地討論。

插入增益——使用二極管實現噪聲源

為了產生所需的輸入噪聲水平，我們可以在精確控制的物理溫度下使用兩個匹配的電阻器。例如，冷噪聲源可以通過將電阻器浸入液氮（Tc= 77 K）或液氦（Tc= 4 K）中獲得。傳統上，熱電阻器被放置在沸水或冰水中。早期的噪聲源依賴于調整源電阻器的物理溫度，而今天的有源噪聲源通常使用二極管或電子管來提供經過校準的噪聲電平。圖 6 顯示了基于二極管的噪聲源的簡化框圖。

圖 6.基于二極管的噪聲源的簡化框圖。

當連接 28 V 電源時，二極管反向偏置到雪崩區，產生大量噪聲。另一方面，當電源斷開時，輸出端只會出現少量噪聲。RF 扼流圈 (RFC) 只是一個足夠大的電感器，可以在所有相關頻率下被視為開路。衰減器幫助我們降低失配不確定性.它確保無論二極管是導通還是關斷，噪聲源在輸出端都表現出相對恒定、定義明確的匹配。雖然噪聲二極管的物理溫度為室溫，但它會產生異常“熱”的噪聲水平。例如，在 10,000 K 的范圍內，高于任何已知金屬的熔點。現代噪聲源產生的噪聲隨時間穩定，頻率范圍寬，反射系數低。

過大的噪聲比公式

過高的噪聲比 (ENR) 是表征有源噪聲源產生的噪聲的常用方法。以分貝為單位的 ENR 定義為：

在哪里：

Th和 Tc是噪聲源在其 ON 和 OFF 狀態下的噪聲溫度

T0是 290 K 的參考溫度

請注意，ENR 的早期定義是：

該定義基于 Tc等于 T0的假設。在我們的測量中通常不會出現這種情況。然而，噪聲源制造商提供的校準 ENR 值通常以 T0= 290 K 為參考。例如，如果 ENR 指定為 15 dB，則我們有 T h= 9460.6 K。商業噪聲最常見的 ENR 值源是 5、6 和 15 dB。也有 ENR 值較高的噪聲源，例如 25 dB，但 ENR 值高于 15 dB 的噪聲源的可用性是有限的。

本文編譯來自：llaboutcircuits

審核編輯：湯梓紅