芯耀
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現(xiàn)在噪聲系數(shù)（NF）測量儀器的普及使得噪聲系數(shù)測量變得相當容易，但這并不意味著不再需要理解噪聲測試的相關原理。如果測試人員對影響測量的誤差源沒有深入理解，那么即使實現(xiàn)擁有噪聲測量儀，也無法提升測試質(zhì)量。
一、什么是Y因子
圖1展示了用于噪聲系數(shù)測量的Y因子法簡化框圖。
圖1. 噪聲系數(shù)測量Y因子法的簡化框圖
Y因子法將兩個具有已知等效溫度（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設備（DUT）的輸入端，并測量相應的輸出噪聲功率Nh和Nc。Y因子定義為Nh與Nc的比值：
公式1：
被測設備（DUT）的噪聲溫度Te,可通過以下公式計算：
公式2：
這里的關鍵概念是，Y因子法需要的是Nh與Nc的比值，而非它們的絕對值。這意味著測量設備的構建無需依賴經(jīng)過校準的功率計。噪聲系數(shù)測量儀器通常使用精密可變衰減器（圖1）來替代校準功率計。
二、測量Y因子
基本操作步驟如下：
1. 連接冷噪聲源，將衰減因子設置為1。
2. 測量輸出噪聲電平。
3. 連接熱噪聲源。
4. 逐漸增大衰減因子，直至功率計顯示與冷源測量時相同的讀數(shù)。
5. 從該測量中獲得的衰減因子即等于Nh/Nc的比值，換句話說，衰減因子實際上就是Y因子。
對噪聲系數(shù)分析儀操作原理的基本理解，有時能幫助我們更好地掌握實現(xiàn)精確測量的技巧。
三、噪聲源不確定性
進行噪聲系數(shù)測量時，需要一個輸出噪聲電平經(jīng)過校準的噪聲源（如圖2所示）。噪聲源的噪聲電平通過其超噪比（ENR，Excess Noise Ratio）來表征。噪聲系數(shù)測量儀器利用噪聲源的ENR值計算被測設備（DUT）的噪聲系數(shù)。
制造商提供的噪聲源ENR（超噪比）不確定性是測量不確定度的來源之一。ENR的不確定度通常在0.1至0.2dB范圍內(nèi)，這種不確定度會直接導致噪聲系數(shù)（NF）測量不確定度，通常幾乎是“dB by dB”的影響。例如，若ENR測量不確定度為0.3dB，噪聲系數(shù)測量不確定度也會是0.3dB。
需要注意的是，ENR測量是在噪聲源工作頻率范圍內(nèi)的多個離散頻率點（如10或20個頻率點）進行的。然而，由于設計良好的噪聲源的ENR隨頻率變化緩慢，測量設備能夠在校準點之間對噪聲源性能進行插值，而不會引入顯著誤差。
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，對于給定的測量，合適的標稱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。
使用低ENR的優(yōu)勢：
- 在熱態(tài)測量時，測量設備處理的噪聲電平較小。這有兩個好處：首先，除非被測設備（DUT）增益非常大，否則測量設備更可能保持在線性工作區(qū)域；其次，測量儀器使用的內(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)帶來的誤差。
低ENR的局限性：
- 當DUT的噪聲系數(shù)較高時，不能使用低ENR噪聲源。這是因為：若DUT的噪聲系數(shù)相對噪聲源的ENR過大，輸出噪聲主要來自DUT本身，導致熱態(tài)和冷態(tài)測量的輸出噪聲幾乎相同（Nh≈Nc），Y因子趨近于1。此時，公式2的分母趨近于零，Y因子的微小誤差會導致等效噪聲溫度Te的測量誤差顯著增大。
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)不超過約16dB的DUT；
- 15dB ENR噪聲源適用于噪聲系數(shù)高達約25dB的測量。
五、通過衰減器降低失配不確定度
一般來說，射頻信號鏈中不同端口的阻抗失配會導致功率傳輸不確定度，這是噪聲系數(shù)測量中的重要誤差源。衰減器可以抑制失配不確定度，因此自然會產(chǎn)生一個問題：能否使用衰減器來降低噪聲系數(shù)測量的不確定度？
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，但它們也會衰減目標信號并引入噪聲。因此，若不進行完整分析，無法評估衰減器是否能提高整體測量精度。
圖4顯示了對于噪聲系數(shù)為3dB的被測設備（DUT），在不同增益值下添加衰減器對其噪聲系數(shù)測量不確定度的影響。
圖4. 噪聲系數(shù)不確定度隨增益變化的關系
如預期所示，通過在輸入端添加衰減器（輸入pad），阻抗失配和測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）并未減少測量不確定度，這是因為輸出衰減器會降低“噪聲測量接收機”的有效噪聲系數(shù)。下面我們來分析如何考慮衰減器損耗的影響。
六、被測設備（DUT）前端的損耗
為了實現(xiàn)噪聲系數(shù)的精確測量，必須對DUT前端的任何損耗進行修正。DUT前端損耗的來源包括：
- 電纜衰減；
- 噪聲源連接器與DUT不兼容時，插入測量環(huán)路的適配器損耗。
在校準步驟中，噪聲源直接連接到測量設備，這會自動將測量參考平面設定在噪聲源的輸出端（圖5）。校準步驟用于確定接收機的噪聲溫度TReceiver。
圖5. Y因子法的校準步驟。
添加了DUT前端衰減器的測量步驟框圖如圖6所示。
圖6. Y因子法的測量步驟。
根據(jù)上述框圖，衰減器和被測設備（DUT）構成兩級級聯(lián)系統(tǒng)。假設測量得到該兩級系統(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)絡的增益小于1。
對于衰減器，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L1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表示上述方程：
公式5：
考慮衰減器處于標準溫度T0=290K的特殊情況具有指導意義。我們來看一個例子：
示例：TL=T0?的特殊情況
假設被測設備（DUT）前端的衰減器處于物理溫T0，損耗因子為L1=1.5)（即增益Gatten=0.667）。若噪聲系數(shù)測試儀測得級聯(lián)系統(tǒng)的復合噪聲系數(shù)為7dB，求DUT的實際噪聲系數(shù)。
當損耗為L的無源衰減器的物理溫度為T0=290K時，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，通過從復合噪聲系數(shù)NFatten中減去衰減器噪聲系數(shù)NF1來確定被測設備（DUT）的噪聲系數(shù)。但若NFatten與NFDUT數(shù)值相近，且 NFatten的測量不確定度較大時，該方法可能導致顯著誤差。
示例：假設NFDUT實際值為2dB，復合噪聲系數(shù)NF1為4dB，衰減器實際噪聲系數(shù)NFatten為2dB。若因測量不確定度，測得NFatten為2.5dB，則計算得到的NFDUT=4-2.5=1.5dB ，測量誤差達25%。 此外需注意，衰減器的損耗可能隨頻率變化。此時，應使用目標頻率下的損耗數(shù)據(jù)修正損耗影響。
八、被測設備（DUT）后端的損耗
由于校準步驟將測量參考平面設定在噪聲源輸出端（圖5），我們可將DUT后端的組件納入校準環(huán)路，以修正其損耗影響。這會將DUT后端的所有損耗自動歸入測量設備的噪聲系數(shù)中，如圖7所示。
圖7. 帶入DUT后端損耗的噪聲系數(shù)測試配置
在圖7中，位于DUT后端的組件B也被納入校準步驟。然而，組件A無法納入校準步驟，其損耗需按前所述單獨修正。
若DUT后端的損耗組件無法納入校準環(huán)路，則必須針對該特定損耗修正測量結果。圖8的框圖展示了一種測量場景：DUT與測量設備之間存在有耗組件。在此假設該有耗組件無法納入校準環(huán)路。
圖8. DUT與測量接收機之間存在有耗組件的噪聲系數(shù)測量
利用上述框圖，我們可以推導出將衰減器影響歸入測量設備噪聲系數(shù)的公式。應用Friis方程，測量儀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量設備的修正后噪聲溫度：
公式10：
需要注意的是，TReceiver是通過校準步驟獲得的。測量步驟還能得出被測設備（DUT）與衰減器的級聯(lián)合成增益G1=GDUT/L2，因此DUT的實際增益為GDUT=G1L2。
現(xiàn)在，我們可以定義Tcas為包含DUT、衰減器和測量設備的整個級聯(lián)系統(tǒng)的噪聲溫度。利用Tcas、修正后的接收機噪聲溫度TReciever,cor和GDUT，即可求出DUT的噪聲溫度。
九、關于被測設備（DUT）前后端的損耗
最后需要注意的是，如果測量中DUT的前端和后端均存在損耗，則需要通過更復雜的分析來修正損耗帶來的誤差。
希望本文能讓你對噪聲系數(shù)測量及Y因子法的應用有更深入的理解。使用可變衰減器替代校準功率計可降低測試設備成本。無論采用何種噪聲功率測量方法，始終需要考慮噪聲源的不確定性和夾具損耗——這些因素都會給噪聲系數(shù)測量引入誤差。
總結
現(xiàn)代自動化噪聲系數(shù)測量雖簡化了操作流程，但對誤差源的深入理解仍是確保測量精度的關鍵。本文通過分析Y因子法原理、噪聲源特性、ENR選擇、衰減器應用及損耗修正等核心要素，揭示了噪聲系數(shù)測量中系統(tǒng)性誤差的來源與控制方法。合理選擇噪聲源ENR、優(yōu)化衰減器配置、修正前后端損耗，是提升測量可靠性的必要手段。唯有在自動化技術與理論認知的協(xié)同下，才能實現(xiàn)噪聲系數(shù)測量的高效性與準確性。
