探索Y因子法测量噪声系数

了解如何使用Y因子法测量噪声系数（NF）。我们将深入研究如何使用它来找到噪声因子，如何校准噪声温度等等。

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NF度量使我们能够表征RF组件和系统的噪声性能。对芯片制造商来说，进行准确的NF测量的能力可以带来巨大的美元价值，因为需要准确的测量来保证优质产品真正达到指定的噪声性能，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因子法，这是本文的重点。

使用双端口设备测量噪声系数

考虑一个连接到源电阻R的双端口设备，温度为T，如下图1所示。

图1连接到源极电阻的双端口设备的示意图

总输出噪声No与源电阻温度T的关系如图2所示。

图2显示总输出噪声与源电阻温度的图

如果RS是无噪声的，即T=0 K，则输出端出现的唯一噪声将是被测设备的噪声，标记为No(added)。随着RS温度的升高，其噪声贡献也会增加。找到设备的噪声系数实际上相当于找到上述“噪声线”。有两种方法可以指定一条线：穿过线上的两个点；或者通过一个点和直线的斜率。Y因子法实际上测量噪声线上的两个点，并使用该信息来找到被测器件（DUT）的噪声因子。另一种噪声系数测量方法是冷源法，该方法通过找到直线上的单个点以及直线的斜率（kBG）来确定噪声系数。

考虑到这一点，让我们来看看Y因子方法。

图3显示了Y因子法的基本框图。

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水平。通过在温度Tc和Th下将两个匹配的电阻器连接到DUT的输入端，产生所需的输入噪声功率。对于Y因子法，通过等效噪声温度Te更容易对DUT的噪声性能进行建模。如果DUT添加的输出噪声为No(added)，则其噪声温度由下式给出：

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。通过对组件的噪声温度进行建模，我们可以很容易地找到两个输入噪声水平的输出噪声。Th处热源的输出噪声功率如方程1所示。

方程式1

类似地，冷源的输出噪声Tc通过方程式2得出。

方程式2

在上述方程组中：

Te和产品BG未知

众所周知，Th和Tc这两个输入的噪声温度具有很高的精度

Nh和Nc是测量值

如果我们将方程1除以方程2，则BG项消失，我们得到方程3。

方程式3

这个比率被称为Y因子。使用一点代数，上述方程给出了方程4中DUT的噪声温度。

方程式4

有了Te，我们可以应用以下方程来找到噪声因子：

校准步骤——校准噪声和接收器噪声温度

Y因子法原则上很简单。然而，在实践中，有一些错综复杂的问题需要仔细处理。其中一个错综复杂的问题是测量设备产生的噪声。如下图4所示。

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，测量的输出噪声功率Nh和Nc受到测量设备噪声的影响。换句话说，通过将Nh和Nc代入方程3和4，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Friis方程，两级级联系统的噪声温度给出了方程5。

方程式5

解释：

TDUT和TRECEIVER 是DUT和测量设备的噪声温度

GDUT是DUT的可用功率增益

当DUT增益超过30dB时，我们可以忽略第二级的噪声，并假设Tcas≃TDUT。然而，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。在校准步骤中，噪声源直接连接到“噪声测量接收器”，并应用Y因子法来确定接收器的噪声温度（图5）。

图5方框图显示了Y因子法用于计算接收器的噪声温度

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中获得两个点Nh，cal和Nc，cal。现在我们可以找到校准设置的Y因子：

通过重新排列上述方程，我们得到接收器噪声温度：

总之，校准步骤（图5）测量仪器本身并确定TRecever。接下来，在DUT就位的情况下（图4），找到级联系统Tcas的噪声温度。最后，假设DUT的增益已知，我们将TRecever和Tcas代入方程5以获得TDUT。大多数情况下，DUT的增益是未知的。然而，上述测量结果可用于轻松找到GDUT。

计算被测器件增益

从测量装置获得的噪声功率——图4中的Nh和Nc——经历了DUT的增益；然而，Nh、cal和Nc、cal并没有经历这种增益（图5）。因此，GDUT可以通过方程式6进行估计。

方程式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GA。应该注意的是，我们从方程6中获得的功率增益不等于GA。为了区分这两个功率量，方程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——用二极管实现噪声源

为了产生所需的输入噪声水平，我们可以在精确控制的物理温度下使用两个匹配的电阻器。例如，可以通过将电阻器浸入液氮（Tc=77K）或液氦（Tc=4K）中来获得冷噪声源。传统上，热电阻器被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器的物理温度，但今天的有源噪声源通常使用二极管或电子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。

图6基于二极管的噪声源的简化框图

当连接28V电源时，二极管反向偏压到雪崩区域，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）只是一个电感器，其大小足以在所有感兴趣的频率下被视为开路。衰减器有助于我们降低失配的不确定性。它确保无论二极管是开启还是关闭，噪声源在输出端都表现出相对恒定、明确的匹配。虽然噪声二极管的物理温度是室温，但它会产生异常“热”的噪声水平。例如，在10000K的范围内，这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。

过量噪声比公式

过量噪声比（ENR）是表征有源噪声源产生的噪声的常用方法。ENR（分贝）定义为：

解释：

Th和Tc是噪声源在ON和OFF状态下的噪声温度

T0是290 K的参考温度

请注意，ENR的早期定义是：

该定义基于Tc等于T0的假设。在我们的测量中通常不是这样。然而，噪声源制造商提供的校准ENR值通常参考T0=290 K。例如，如果ENR指定为15 dB，则Th=9460.6 K。商业噪声源最常见的ENR值为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的噪声源的可用性有限。