Test Card

曾經(jīng)在《噪聲系數(shù)系列：噪聲系數(shù)定義及影響》一文中提到了目前噪聲系數(shù)的三種測(cè)試方法，增益法、Y因子法和基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試方法，除這三種方法外，還有一種稱為“冷源法”的測(cè)試方法。

為什么稱為冷源法呢？是因?yàn)闆]有采用噪聲源，無論是校準(zhǔn)還是測(cè)試，輸入噪聲功率都是背景熱噪聲功率。增益法其實(shí)也是一種冷源法，但是，冷源法不能簡(jiǎn)單地歸為增益法，可以認(rèn)為是增益法的改進(jìn)版，二者有什么區(qū)別呢？

冷源法測(cè)試思路

增益法沒有使用噪聲源，也沒有修正頻譜儀自身噪聲系數(shù)帶來的影響，幾乎全是憑借DUT自身的高增益保證測(cè)試精度。

而冷源法比增益法更先進(jìn)一些，考慮了頻譜儀自身的噪聲系數(shù)，即測(cè)試結(jié)果修正了頻譜儀帶來的影響，不再像增益法那樣對(duì)DUT增益有過高的要求了。

類似于Y因子法，冷源法主要分為兩步：校準(zhǔn)和測(cè)試。除非特別說明，下面的介紹均基于T0 (290K)溫度這一假設(shè)。

步驟一：校準(zhǔn)

校準(zhǔn)的目的是獲取頻譜儀自身的噪聲系數(shù)，以便對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正。圖1給出了校準(zhǔn)組網(wǎng)示意圖，直接將50 Ohm匹配負(fù)載連接至頻譜儀端口，不建議經(jīng)過線纜連接，以提高校準(zhǔn)精度。

圖1. 冷源法校準(zhǔn)組網(wǎng)示意圖

頻譜儀測(cè)得噪聲功率為

NSA = KBT0 × GSA × FSA

式中，B為噪聲帶寬，GSA為頻譜儀的增益，F(xiàn)SA為頻譜儀的噪聲因子。尤其要說明的是，如果手動(dòng)測(cè)試噪聲功率，一般觀測(cè)的是RBW帶寬內(nèi)的功率，但是RBW并不是實(shí)際的噪聲帶寬，而是與噪聲帶寬有一定的關(guān)系，不同的filter類型，對(duì)應(yīng)的系數(shù)不同。

在校準(zhǔn)中，需要精確已知噪聲帶寬B的大小，否則會(huì)給測(cè)試帶來一定的誤差。但是，當(dāng)DUT的增益比較高時(shí)，即使使用RBW代替噪聲帶寬進(jìn)行計(jì)算，高增益也會(huì)弱化這對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

因?yàn)轭l譜儀經(jīng)過了自校準(zhǔn)，理論上輸入多大功率，測(cè)得的功率就是多少，這意味著其增益可以理解為1，則上式可變換為

NSA = KBT0 × FSA

寫成對(duì)數(shù)形式為

NSA(dBm) = -174dBm/Hz + 10lgB + NFSA

根據(jù)上式便可以計(jì)算出頻譜儀自身的噪聲系數(shù)NFSA。

步驟二：測(cè)試NF

在DUT輸入端連接50 Ohm匹配負(fù)載，如圖2所示，頻譜儀測(cè)得的噪聲功率為

NDUT&SA = kBT0 × GDUT&SA × FDUT&SA

式中，GDUT&SA就是DUT與SA總體的增益，F(xiàn)DUT&SA為DUT與SA總體的噪聲因子。因假設(shè)頻譜儀為單位增益，故根據(jù)GDUT和頻譜儀測(cè)得的噪聲功率便可以計(jì)算出總噪聲因子。

值得一提的是，冷源法要求DUT的增益是精確已知的。

根據(jù)DUT與頻譜儀的噪聲因子級(jí)聯(lián)公式，便可以計(jì)算出DUT本身的噪聲因子。

FDUT&SA = FDUT + (FSA - 1)/GDUT

圖2. 冷源法測(cè)試組網(wǎng)示意圖

具體是否打開頻譜儀前置放大器，要視DUT的增益高低而定，如果DUT增益非常高，比如超過30dB，可以不打開前置放大器。因?yàn)镈UT輸出的噪聲功率比較高，打開前置放大器后，容易引起頻譜儀過載。

如何提高冷源法測(cè)試精度？

作為一種改進(jìn)的增益測(cè)試法，其適用范圍和測(cè)試精度自然更好，但實(shí)際操作時(shí)，仍然還有一些注意事項(xiàng)。

精確已知DUT增益

與Y因子法不同，冷源法過程中無法測(cè)得DUT增益，因此需要已知增益，以便利用級(jí)聯(lián)公式求解DUT本身的噪聲因子。

高增益更容易獲得高精度

對(duì)于冷源法，DUT增益越高，饋入頻譜儀的總噪聲功率越高，越容易準(zhǔn)確測(cè)試。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，要求總噪聲功率高于頻譜儀底噪至少6dB，因此當(dāng)增益較高時(shí)，更容易保證精度。

高噪聲系數(shù)對(duì)測(cè)試更有利

這一點(diǎn)怎么理解呢？這一點(diǎn)是相對(duì)的，如果DUT增益非常高，冷源法也是能夠測(cè)試非常低的噪聲系數(shù)的。但，如果DUT增益比較低，比如10dB甚至更低，就限制了測(cè)試低噪聲系數(shù)的能力。還是從準(zhǔn)確測(cè)試噪聲功率的角度考慮，當(dāng)DUT本身噪聲系數(shù)比較高時(shí)，自身產(chǎn)生的噪聲功率才更高，頻譜儀才更加容易測(cè)試準(zhǔn)確。

使用衰減器改善測(cè)試精度

如果DUT本身的端口VSWR不好，這會(huì)對(duì)噪聲系數(shù)測(cè)試造成影響。為了改善這一點(diǎn)，可以考慮在前后使用合適的衰減器，以改善端口VSWR。

精確已知測(cè)量時(shí)的噪聲帶寬

任何濾波器都有自身的等效噪聲帶寬，通過濾波器的所有功率都等效在一個(gè)功率譜密度恒定的帶寬內(nèi)，這個(gè)帶寬就是等效噪聲帶寬。噪聲帶寬不同于濾波器的3dB帶寬，在冷源法的校準(zhǔn)和測(cè)試過程中，都需要噪聲帶寬進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。

值得一提的是，Y因子法并不需要已知噪聲帶寬，因?yàn)橛?jì)算過程中，噪聲帶寬相互抵消，在后面的文章中，將詳細(xì)介紹這一點(diǎn)。