NF测量的Y因子法的增益定义：可用增益还是插入增益？

Y因子法是一种广泛用于测量射频元件增益和噪声系数（NF）的技术。本文将帮助您了解插入增益和可用增益之间的差异，同时避免测量噪声系数时可能出现的重大误差。

本文引用地址：

原则上，Y因子法是一种相对简单的测量RF组件增益和噪声系数（NF）的方法。然而，在实践中需要仔细注意一些错综复杂的问题。一些非理想效应，如测试设备NF的不确定性以及与噪声源本身相关的不确定性，可能会导致测量不确定性。另一个微妙之处是，该方法实际上测量和使用DUT（被测器件）插入增益，而不是其可用增益。

Y因子法简介

噪声系数测量的Y因子法包括两个步骤：

图1（a）所示的测量步骤，用于确定由Tcas表示的DUT接收器系统的噪声温度

图1（b）的校准步骤，确定接收器TR接收器的噪声温度

图1 Y因子法测量噪声系数的两个步骤：（a）测量和（b）校准

在测量Tcas和TRecever之后，我们可以应用Friis方程来计算DUT的噪声温度：

方程式1

其中TDUT和GDUT分别表示DUT的噪声温度和增益。从测量装置获得的噪声功率（图1（a）中的Nh和Nc）被DUT增益放大；然而，Nh、cal和Nc、cal没有经历这种增益（图1（b））。因此，GDUT可以通过以下方程式进行估算：

方程式2

可用功率增益

噪声系数定义中使用的功率增益是可用功率增益GA，如下图2所示。可用功率增益是双端口网络PAVN（图2（a））可用功率与源PAVS可用功率的比值。

请注意，对于PAVN和PAVS测量，被测端口都连接到其共轭匹配的负载。例如，为了找到PAVN，模块输出连接到Zout=Rout+jXout的复共轭，即ZL=Rout-jXout。我们从方程1中获得的功率不是可用的功率增益。为了将其与可用增益区分开来，它被赋予了一个特定的名称：插入增益，这将在下面讨论。

插入功率增益

图3说明了插入功率增益的定义。

图3 插入功率增益定义

插入功率增益取决于源阻抗和负载阻抗（ZS和ZL）。如图3（a）所示，我们将DUT连接到ZL，同时其输入由ZS的源阻抗驱动，并测量输送到负载的功率（图3中用POut表示）。我们还测量了源可以直接传递给ZL的功率，如图3（b）中的PIn所示。POut与PIn的比率是DUT的插入增益。从这个解释中可以清楚地看出，插入增益对应于我们在给定的ZS和ZL之间插入DUT时获得的功率增益的变化。

使用插入增益引入的误差

将Y因子法的测量和校准步骤（图1（a）和（b））与插入增益定义（图3（a））进行比较，我们观察到，我们从方程2中获得的增益实际上是插入增益，而不是可用增益。可以测量DUT的可用增益；然而，这需要两次额外的功率测量，其中负载阻抗必须调谐到与被测端口共轭匹配。

然而，插入增益是从Y因子法所需的四个功率测量值中获得的。我们实际上假设插入增益等于可用增益。如果不是这样，我们的测量将引入误差（方程式1）。可以看出，可用增益GA和插入增益Gi之间的差由下式给出：

方程式3

其中Γ1是观察噪声测量接收器的反射系数；Γ2是观察DUT输出时观察到的值；Γs是噪声源的反射系数（图4）。

图4 噪声源、DUT输出和噪声测量接收器的反射系数

请注意，在完全匹配的情况下（Γ1=Γ2=Γs=0），插入增益等于可用增益。在上述方程中，需要了解反射系数的幅度和相位才能从Gi中找到GA。通常，相位信息不可用，我们只能找到误差极限。图5显示了作为匹配水平函数的插入增益和可用增益之间的差异。

图5可用增益与插入增益之比，作为接收器和DUT匹配的函数。图片由安立提供

在上图中，x轴是DUT输入和输出匹配（为简单起见，假设DUT的输入和输出匹配对相同）。y轴是两个功率增益之间的差值，单位为分贝。假设噪声源匹配为-20 dB，并且假设DUT具有良好的隔离（|S21×S12|=0.1）。请注意，随着DUT匹配度降低到-10dB以上，两种增益之间的差异变得更加显著。在这种情况下，增益误差可能会在测量的NF值中引入显著误差。

S—增益误差的参数校正

此时，您可能会想知道是否可以使用DUT的S参数以及方程3来从插入增益中获得可用增益。通过将GA（而不是Gi）代入Friis方程，我们可以校正增益误差。这似乎是有益的，但有两点值得一提。

首先，请注意，我们通常没有反射系数（Γ1、Γ2和Γs）的相位信息。对于标量测量，我们不知道矢量反射系数将如何组合以产生最终误差。假设向量失配可用，我们可以从Gi中找到GA。

然而，还有另一个问题可能会妨碍我们进行更准确的测量：DUT和测量设备的噪声系数是其驱动点阻抗的函数。图5通过假设DUT的噪声性能以图形方式说明了这一点。

图6史密斯圆图展示了驱动点阻抗对噪声系数的影响。图片由D.Boyd提供

当DUT由50Ω的源阻抗（对应于史密斯圆图中心的绿色圆圈）驱动时，其噪声系数为2.5 dB。然而，当源阻抗等于DUT S11的复共轭（图中红色圆圈标记）时，噪声系数为2 dB。S参数不能为我们提供有关设备噪声性能的任何信息。因此，虽然S参数校正可用于从Gi中找到GA，但它不允许我们考虑DUT NF的变化。如果不了解NF随源电阻的变化，S参数校正甚至会增加NF测量误差。

设备，该设备使用短截线调谐器向设备施加一系列复阻抗。然后对这些测量值进行分析，以在史密斯圆图上产生与图5所示类似的NF圆形轮廓。应该指出的是，常见的噪声系数分析仪和网络分析仪无法产生这些NF轮廓。

明确测量不确定度的必要性

没有噪声轮廓，对噪声系数测量应用失配校正是无效的。在这些情况下，建议尽可能减少不同端口的阻抗失配，然后将残余失配视为测量不确定度。除了失配效应外，完整的不确定性分析还可以解释其他非理想效应，例如测试设备NF的不确定性以及与噪声源本身相关的不确定性。不确定度分析是每种测量的关键，包括NF测量。下表强调了通过比较两个不同的假设放大器来了解测量不确定度的重要性。

在不考虑不确定性的情况下，人们立即选择放大器1作为性能更高的设备。然而，考虑到测量的不确定性，我们观察到放大器1的噪声系数可能高达1.7 dB，而放大器2的最大NF为1.5 dB。在进行噪声系数测量时，需要注意的一个关键参数是测量不确定性。在未来的文章中，我们将研究Y因子法的测量不确定度。

Y因子方法综述

Y因子法实际测量和使用DUT的插入增益，而不是其可用增益。在存在阻抗失配的情况下，这可能会导致显著的误差。由于插入增益的测量比可用增益容易得多，我们通常假设这两个功率量相等。然而，为了限制误差，应尽量减少不同端口的阻抗失配。残余失配误差通常被视为测量不确定度。