現(xiàn)在噪聲系數(shù)（NF）測(cè)量?jī)x器的普及使得噪聲系數(shù)測(cè)量變得相當(dāng)容易，但這并不意味著不再需要理解噪聲測(cè)試的相關(guān)原理。如果測(cè)試人員對(duì)影響測(cè)量的誤差源沒有深入理解，那么即使實(shí)現(xiàn)擁有噪聲測(cè)量?jī)x，也無(wú)法提升測(cè)試質(zhì)量。

一、什么是Y因子

圖1展示了用于噪聲系數(shù)測(cè)量的Y因子法簡(jiǎn)化框圖。

圖1. 噪聲系數(shù)測(cè)量Y因子法的簡(jiǎn)化框圖

Y因子法將兩個(gè)具有已知等效溫度（熱態(tài)溫度Th和冷態(tài)溫度Tc的不同噪聲電平施加到被測(cè)設(shè)備（DUT）的輸入端，并測(cè)量相應(yīng)的輸出噪聲功率Nh和Nc。Y因子定義為Nh與Nc的比值：

公式1：

被測(cè)設(shè)備（DUT）的噪聲溫度Te,可通過(guò)以下公式計(jì)算：

公式2：

這里的關(guān)鍵概念是，Y因子法需要的是Nh與Nc的比值，而非它們的絕對(duì)值。這意味著測(cè)量設(shè)備的構(gòu)建無(wú)需依賴經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的功率計(jì)。噪聲系數(shù)測(cè)量?jī)x器通常使用精密可變衰減器（圖1）來(lái)替代校準(zhǔn)功率計(jì)。

二、測(cè)量Y因子

基本操作步驟如下：

1. 連接冷噪聲源，將衰減因子設(shè)置為1。

2. 測(cè)量輸出噪聲電平。

3. 連接熱噪聲源。

4. 逐漸增大衰減因子，直至功率計(jì)顯示與冷源測(cè)量時(shí)相同的讀數(shù)。

5. 從該測(cè)量中獲得的衰減因子即等于Nh/Nc的比值，換句話說(shuō)，衰減因子實(shí)際上就是Y因子。

對(duì)噪聲系數(shù)分析儀操作原理的基本理解，有時(shí)能幫助我們更好地掌握實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的技巧。

三、噪聲源不確定性

進(jìn)行噪聲系數(shù)測(cè)量時(shí)，需要一個(gè)輸出噪聲電平經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的噪聲源（如圖2所示）。噪聲源的噪聲電平通過(guò)其超噪比（ENR，Excess Noise Ratio）來(lái)表征。噪聲系數(shù)測(cè)量?jī)x器利用噪聲源的ENR值計(jì)算被測(cè)設(shè)備（DUT）的噪聲系數(shù)。

制造商提供的噪聲源ENR（超噪比）不確定性是測(cè)量不確定度的來(lái)源之一。ENR的不確定度通常在0.1至0.2dB范圍內(nèi)，這種不確定度會(huì)直接導(dǎo)致噪聲系數(shù)（NF）測(cè)量不確定度，通常幾乎是“dB by dB”的影響。例如，若ENR測(cè)量不確定度為0.3dB，噪聲系數(shù)測(cè)量不確定度也會(huì)是0.3dB。

需要注意的是，ENR測(cè)量是在噪聲源工作頻率范圍內(nèi)的多個(gè)離散頻率點(diǎn)（如10或20個(gè)頻率點(diǎn)）進(jìn)行的。然而，由于設(shè)計(jì)良好的噪聲源的ENR隨頻率變化緩慢，測(cè)量設(shè)備能夠在校準(zhǔn)點(diǎn)之間對(duì)噪聲源性能進(jìn)行插值，而不會(huì)引入顯著誤差。

四、選擇噪聲源：低ENRvs高ENR

商用噪聲源最常見的ENR值為5dB、6dB和15dB。那么，對(duì)于給定的測(cè)量，合適的標(biāo)稱ENR是多少？需注意，ENR是表征噪聲源熱態(tài)與冷態(tài)噪聲電平差異的指標(biāo)。

使用低ENR的優(yōu)勢(shì)：

- 在熱態(tài)測(cè)量時(shí)，測(cè)量設(shè)備處理的噪聲電平較小。這有兩個(gè)好處：首先，除非被測(cè)設(shè)備（DUT）增益非常大，否則測(cè)量設(shè)備更可能保持在線性工作區(qū)域；其次，測(cè)量?jī)x器使用的內(nèi)部衰減因子較小，因此其自身的噪聲系數(shù)影響也較小。因此，低ENR噪聲源可最大限度減少儀器非線性和噪聲系數(shù)帶來(lái)的誤差。

低ENR的局限性：

- 當(dāng)DUT的噪聲系數(shù)較高時(shí)，不能使用低ENR噪聲源。這是因?yàn)椋喝鬌UT的噪聲系數(shù)相對(duì)噪聲源的ENR過(guò)大，輸出噪聲主要來(lái)自DUT本身，導(dǎo)致熱態(tài)和冷態(tài)測(cè)量的輸出噪聲幾乎相同（Nh≈Nc），Y因子趨近于1。此時(shí)，公式2的分母趨近于零，Y因子的微小誤差會(huì)導(dǎo)致等效噪聲溫度Te的測(cè)量誤差顯著增大。

推薦原則：

- 選擇ENR比DUT噪聲系數(shù)低10dB的噪聲源。

- 6dB ENR噪聲源適用于噪聲系數(shù)不超過(guò)約16dB的DUT；

- 15dB ENR噪聲源適用于噪聲系數(shù)高達(dá)約25dB的測(cè)量。

五、通過(guò)衰減器降低失配不確定度

一般來(lái)說(shuō)，射頻信號(hào)鏈中不同端口的阻抗失配會(huì)導(dǎo)致功率傳輸不確定度，這是噪聲系數(shù)測(cè)量中的重要誤差源。衰減器可以抑制失配不確定度，因此自然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問題：能否使用衰減器來(lái)降低噪聲系數(shù)測(cè)量的不確定度？

為回答這一問題，可參考圖中所示的Y因子法測(cè)量步驟示意圖，其中在DUT前后添加了衰減器。

圖3. 添加衰減器的Y因子測(cè)量配置

盡管衰減器可以改善端口的有效回波損耗并降低失配不確定度，但它們也會(huì)衰減目標(biāo)信號(hào)并引入噪聲。因此，若不進(jìn)行完整分析，無(wú)法評(píng)估衰減器是否能提高整體測(cè)量精度。

圖4顯示了對(duì)于噪聲系數(shù)為3dB的被測(cè)設(shè)備（DUT），在不同增益值下添加衰減器對(duì)其噪聲系數(shù)測(cè)量不確定度的影響。

圖4. 噪聲系數(shù)不確定度隨增益變化的關(guān)系

如預(yù)期所示，通過(guò)在輸入端添加衰減器（輸入pad），阻抗失配和測(cè)量不確定度得以降低。但在此示例中，添加輸出端衰減器（輸出pad）并未減少測(cè)量不確定度，這是因?yàn)檩敵鏊p器會(huì)降低“噪聲測(cè)量接收機(jī)”的有效噪聲系數(shù)。下面我們來(lái)分析如何考慮衰減器損耗的影響。

六、被測(cè)設(shè)備（DUT）前端的損耗

為了實(shí)現(xiàn)噪聲系數(shù)的精確測(cè)量，必須對(duì)DUT前端的任何損耗進(jìn)行修正。DUT前端損耗的來(lái)源包括：

- 電纜衰減；

- 噪聲源連接器與DUT不兼容時(shí)，插入測(cè)量環(huán)路的適配器損耗。

在校準(zhǔn)步驟中，噪聲源直接連接到測(cè)量設(shè)備，這會(huì)自動(dòng)將測(cè)量參考平面設(shè)定在噪聲源的輸出端（圖5）。校準(zhǔn)步驟用于確定接收機(jī)的噪聲溫度TReceiver。

圖5. Y因子法的校準(zhǔn)步驟。

添加了DUT前端衰減器的測(cè)量步驟框圖如圖6所示。

圖6. Y因子法的測(cè)量步驟。

根據(jù)上述框圖，衰減器和被測(cè)設(shè)備（DUT）構(gòu)成兩級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)。假設(shè)測(cè)量得到該兩級(jí)系統(tǒng)的噪聲溫度為T1，根據(jù)Friis方程，我們有：

公式3：

在公式3中，Tatten和Gatten分別為衰減器的噪聲溫度和增益。有耗網(wǎng)絡(luò)的增益小于1。

對(duì)于衰減器，我們可以將損耗因子定義為其增益的倒數(shù)，即L1=1/Gatten。此處，L1為線性值（非dB值），且其值大于1。此外，物理溫度為TL、損耗因子為L(zhǎng)1的衰減器，其噪聲溫度為Tatten =?(L1-1)TL。因此，我們有：

公式4：

我們可以很容易地用噪聲因子值來(lái)表示上述方程：

公式5：

考慮衰減器處于標(biāo)準(zhǔn)溫度T0=290K的特殊情況具有指導(dǎo)意義。我們來(lái)看一個(gè)例子：

示例：TL=T0?的特殊情況

假設(shè)被測(cè)設(shè)備（DUT）前端的衰減器處于物理溫T0，損耗因子為L(zhǎng)1=1.5)（即增益Gatten=0.667）。若噪聲系數(shù)測(cè)試儀測(cè)得級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的復(fù)合噪聲系數(shù)為7dB，求DUT的實(shí)際噪聲系數(shù)。

當(dāng)損耗為L(zhǎng)的無(wú)源衰減器的物理溫度為T0=290K時(shí)，其噪聲因子F=L（即其噪聲系數(shù)的dB值等于損耗的dB值）。將Fatten=L1代入公式5可得：

公式6：

或者等效地：

公式7：

損耗因子L1=1.5的衰減器的噪聲系數(shù)為NFatten=1.76dB。因此，我們有：

公式8：

NFDUT=7-1.76=5.24dB

七、潛在的噪聲系數(shù)誤差

在上述分析中，通過(guò)從復(fù)合噪聲系數(shù)NFatten中減去衰減器噪聲系數(shù)NF1來(lái)確定被測(cè)設(shè)備（DUT）的噪聲系數(shù)。但若NFatten與NFDUT數(shù)值相近，且 NFatten的測(cè)量不確定度較大時(shí)，該方法可能導(dǎo)致顯著誤差。

示例：假設(shè)NFDUT實(shí)際值為2dB，復(fù)合噪聲系數(shù)NF1為4dB，衰減器實(shí)際噪聲系數(shù)NFatten為2dB。若因測(cè)量不確定度，測(cè)得NFatten為2.5dB，則計(jì)算得到的NFDUT=4-2.5=1.5dB ，測(cè)量誤差達(dá)25%。 此外需注意，衰減器的損耗可能隨頻率變化。此時(shí)，應(yīng)使用目標(biāo)頻率下的損耗數(shù)據(jù)修正損耗影響。

八、被測(cè)設(shè)備（DUT）后端的損耗

由于校準(zhǔn)步驟將測(cè)量參考平面設(shè)定在噪聲源輸出端（圖5），我們可將DUT后端的組件納入校準(zhǔn)環(huán)路，以修正其損耗影響。這會(huì)將DUT后端的所有損耗自動(dòng)歸入測(cè)量設(shè)備的噪聲系數(shù)中，如圖7所示。

圖7. 帶入DUT后端損耗的噪聲系數(shù)測(cè)試配置

在圖7中，位于DUT后端的組件B也被納入校準(zhǔn)步驟。然而，組件A無(wú)法納入校準(zhǔn)步驟，其損耗需按前所述單獨(dú)修正。

若DUT后端的損耗組件無(wú)法納入校準(zhǔn)環(huán)路，則必須針對(duì)該特定損耗修正測(cè)量結(jié)果。圖8的框圖展示了一種測(cè)量場(chǎng)景：DUT與測(cè)量設(shè)備之間存在有耗組件。在此假設(shè)該有耗組件無(wú)法納入校準(zhǔn)環(huán)路。

圖8. DUT與測(cè)量接收機(jī)之間存在有耗組件的噪聲系數(shù)測(cè)量

利用上述框圖，我們可以推導(dǎo)出將衰減器影響歸入測(cè)量設(shè)備噪聲系數(shù)的公式。應(yīng)用Friis方程，測(cè)量?jī)x器的修正后噪聲溫度為：

公式9：

如前所述，我們有Gatten=1/L2和Tatten=(L2-1)TL?，其中TL為衰減器的物理溫度。將這些值代入可得測(cè)量設(shè)備的修正后噪聲溫度：

公式10：

需要注意的是，TReceiver是通過(guò)校準(zhǔn)步驟獲得的。測(cè)量步驟還能得出被測(cè)設(shè)備（DUT）與衰減器的級(jí)聯(lián)合成增益G1=GDUT/L2，因此DUT的實(shí)際增益為GDUT=G1L2。

現(xiàn)在，我們可以定義Tcas為包含DUT、衰減器和測(cè)量設(shè)備的整個(gè)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的噪聲溫度。利用Tcas、修正后的接收機(jī)噪聲溫度TReciever,cor和GDUT，即可求出DUT的噪聲溫度。

九、關(guān)于被測(cè)設(shè)備（DUT）前后端的損耗

最后需要注意的是，如果測(cè)量中DUT的前端和后端均存在損耗，則需要通過(guò)更復(fù)雜的分析來(lái)修正損耗帶來(lái)的誤差。

希望本文能讓你對(duì)噪聲系數(shù)測(cè)量及Y因子法的應(yīng)用有更深入的理解。使用可變衰減器替代校準(zhǔn)功率計(jì)可降低測(cè)試設(shè)備成本。無(wú)論采用何種噪聲功率測(cè)量方法，始終需要考慮噪聲源的不確定性和夾具損耗——這些因素都會(huì)給噪聲系數(shù)測(cè)量引入誤差。

總結(jié)

現(xiàn)代自動(dòng)化噪聲系數(shù)測(cè)量雖簡(jiǎn)化了操作流程，但對(duì)誤差源的深入理解仍是確保測(cè)量精度的關(guān)鍵。本文通過(guò)分析Y因子法原理、噪聲源特性、ENR選擇、衰減器應(yīng)用及損耗修正等核心要素，揭示了噪聲系數(shù)測(cè)量中系統(tǒng)性誤差的來(lái)源與控制方法。合理選擇噪聲源ENR、優(yōu)化衰減器配置、修正前后端損耗，是提升測(cè)量可靠性的必要手段。唯有在自動(dòng)化技術(shù)與理論認(rèn)知的協(xié)同下，才能實(shí)現(xiàn)噪聲系數(shù)測(cè)量的高效性與準(zhǔn)確性。