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測(cè)量射頻元件增益和噪聲系數(shù) (NF) 的技術(shù)

來(lái)源：新能源汽車網(wǎng)
時(shí)間：2023-06-29 15:02:01
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測(cè)量射頻元件增益和噪聲系數(shù) (NF) 的技術(shù) 可用功率增益 噪聲系數(shù)定義中使用的功率增益是可用功率增益G A，其定義如下圖 2 所示?？捎霉β试鲆媸嵌丝诰W(wǎng)絡(luò) P AV

    可用功率增益

    噪聲系數(shù)定義中使用的功率增益是可用功率增益G A，其定義如下圖 2 所示?？捎霉β试鲆媸嵌丝诰W(wǎng)絡(luò) P AVN （圖 2(a)）可用功率與源 P AVS  （圖 2(b)）可用功率之比。

    可用功率增益定義
    圖 2. 可用功率增益定義
    請(qǐng)注意，對(duì)于 P AVN 和 P AVS 測(cè)量，被測(cè)端口均連接至其共軛匹配負(fù)載。例如，為了找到P AVN ，模塊輸出連接到Zout =R out +jX out的復(fù)共軛，即Z L =R out -jX out。我們從公式 1 獲得的功率并不是可用功率增益。為了區(qū)別于可用增益，它被賦予了一個(gè)特定的名稱：插入增益，這將在下面討論。

    插入功率增益

    圖 3 說(shuō)明了插入功率增益的定義。
    插入功率增益定義
    圖 3. 插入功率增益定義
    插入功率增益取決于源阻抗和負(fù)載阻抗（Z S 和Z L）。如圖 3(a) 所示，我們將 DUT 連接到 Z L ，同時(shí)其輸入由 ZS 源阻抗驅(qū)動(dòng)，并測(cè)量傳遞到負(fù)載的功率（在圖 3 中用 P Out表示 ）。我們還測(cè)量了源可以直接傳送到 Z L的功率，在圖 3(b) 中用 P In表示 。P Out 與 P In的比率 是 DUT 的插入增益。從這個(gè)解釋中應(yīng)該清楚，插入增益對(duì)應(yīng)于當(dāng)我們?cè)诮o定 Z S之間插入 DUT 時(shí)獲得的功率增益的變化 和Z L。
    使用插入增益引入的誤差
    將 Y 因子方法的測(cè)量和校準(zhǔn)步驟（圖 1(a) 和 (b)）與插入增益定義（圖 3(a) 和 (b)）進(jìn)行比較，我們觀察到從公式 2 獲得的增益實(shí)際上是插入增益而不是可用增益?？梢詼y(cè)量 DUT 的可用增益；然而，這需要兩次額外的功率測(cè)量，其中必須將負(fù)載阻抗調(diào)整為與被測(cè)端口的共軛匹配。
    然而，插入增益是從 Y 因子方法所需的四次功率測(cè)量中獲得的。我們實(shí)際上假設(shè)插入增益等于可用增益。如果情況并非如此，我們的測(cè)量就會(huì)產(chǎn)生誤差（公式 1）?？梢钥闯?，可用增益 G A 和插入增益 G i之間的差異 由下式給出：
        等式 3。
    其中 Γ 1 是向噪聲測(cè)量接收器觀察的反射系數(shù)；Γ 2 是觀察 DUT 輸出時(shí)觀察到的結(jié)果；Г s 是噪聲源的反射系數(shù)（圖4）。

    噪聲源、DUT 輸出和噪聲測(cè)量接收器的反射系數(shù)

    圖 4. 噪聲源、DUT 輸出和噪聲測(cè)量接收器的反射系數(shù)

    請(qǐng)注意，在完美匹配的情況下（Г 1 =Г 2 =Г s =0），插入增益等于可用增益。在上面的等式中，需要了解反射系數(shù)的幅度和相位才能 從 G i找到 G A。通常情況下，相位信息是無(wú)法獲得的，我們只能找到誤差限。圖 5 顯示了插入增益和可用增益之間的差異，作為匹配級(jí)別的函數(shù)。

    可用增益與插入增益之比作為接收器和 DUT 匹配的函數(shù)。
    圖 4. 可用增益與插入增益之比作為接收器和 DUT 匹配的函數(shù)。圖片由Anritsu提供。
    上圖中，x軸是DUT輸入和輸出匹配（為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)DUT的輸入和輸出匹配相同）。Y 軸是兩個(gè)功率增益之間的差（以分貝為單位）。假設(shè)噪聲源匹配為 -20 dB，并且假設(shè) DUT 具有良好的隔離度 (|S21 × S12|= 0.1)。請(qǐng)注意，當(dāng) DUT 匹配度下降超過(guò) -10 dB 時(shí)，兩種增益之間的差異變得更加顯著。在這種情況下，增益誤差可能會(huì)在測(cè)量的 NF 值中引入顯著的誤差。
    增益誤差的 S 參數(shù)校正
    此時(shí)，您可能想知道是否可以使用 DUT 的 S 參數(shù)以及公式 3 從插入增益中獲取可用增益。通過(guò)將 G A  （而不是 G i  ）代入 Friis 方程，我們可以校正增益誤差。這看起來(lái)是有好處的，但有兩點(diǎn)值得一提。
    首先，請(qǐng)注意，我們通常沒(méi)有反射系數(shù)（Γ 1、 Г 2和 Г s）的相位信息。對(duì)于標(biāo)量測(cè)量，我們不知道矢量反射系數(shù)將如何組合以產(chǎn)生終誤差。假設(shè)向量不匹配可用，我們可以 從 G i找到 G A。

    然而，還有另一個(gè)問(wèn)題可能會(huì)阻止我們進(jìn)行更準(zhǔn)確的測(cè)量：DUT 和測(cè)量設(shè)備的噪聲系數(shù)是其驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗的函數(shù)。圖 5 通過(guò)假設(shè) DUT 的噪聲性能以圖形方式說(shuō)明了這一點(diǎn)。

    史密斯圓圖展示了驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗對(duì)噪聲系數(shù)的影響。
    圖 5. 史密斯圓圖展示了驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗對(duì)噪聲系數(shù)的影響。圖片由D. Boyd提供。
    當(dāng) DUT 由 50 Ω 源阻抗（對(duì)應(yīng)史密斯圓圖中心的綠色圓圈）驅(qū)動(dòng)時(shí)，其噪聲系數(shù)為 2.5 dB。然而，當(dāng)源阻抗等于 DUT 的 S 11的復(fù)共軛 （圖中紅色圓圈標(biāo)記）時(shí)，噪聲系數(shù)為 2 dB。S 參數(shù)不向我們提供有關(guān)器件噪聲性能的任何信息。因此，雖然 S 參數(shù)校正可用于 從 G i找到 G A，但它不允許我們考慮 DUT NF 的變化。如果不知道 NF 隨源電阻的變化，S 參數(shù)校正甚至?xí)黾?NF 測(cè)量誤差。
    確定噪聲系數(shù)對(duì)源阻抗的依賴性需要專門的噪聲系數(shù)測(cè)量設(shè)備，該設(shè)備使用短線調(diào)諧器將一系列復(fù)雜的阻抗應(yīng)用于設(shè)備。然后分析這些測(cè)量結(jié)果，在史密斯圓圖上生成 NF 的圓形輪廓，如圖 5 所示。應(yīng)該注意的是，常見(jiàn)的噪聲系數(shù)分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀無(wú)法生成這些 NF 輪廓。
    指定測(cè)量不確定度的必要性
    如果沒(méi)有噪聲輪廓，則對(duì)噪聲系數(shù)測(cè)量應(yīng)用失配校正是無(wú)效的。在這些情況下，建議 盡可能減少不同端口的阻抗失配，然后將殘余失配視為測(cè)量不確定度。除了失配效應(yīng)之外，完整的不確定性分析還可以考慮其他非理想效應(yīng)，例如測(cè)試設(shè)備的噪聲系數(shù)的不確定性以及與噪聲源本身相關(guān)的不確定性。不確定性分析是各種測(cè)量（包括 NF 測(cè)量）的關(guān)鍵。下表強(qiáng)調(diào)了通過(guò)比較兩種不同的假設(shè)放大器來(lái)了解測(cè)量不確定度的重要性。
       在不考慮不確定性的情況下，人們會(huì)立即選擇放大器 1 作為性能更高的設(shè)備。然而，考慮到測(cè)量不確定性，我們觀察到放大器 1 的噪聲系數(shù)高達(dá) 1.7 dB，而放大器 2 的 NF 為 1.5 dB。進(jìn)行噪聲系數(shù)測(cè)量時(shí)，需要注意的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是測(cè)量不確定度。在以后的文章中，我們將討論 Y 因子方法的測(cè)量不確定度。
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