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Less Than 0.5dB Noise Figure Measurement

● 引言
 
     对于新一代通讯系统的开发而言,清
楚地了解并准确地进行亚0.5 dB的噪声系数的测量,是十分重要的。本文对万通公司的超低噪声放大器在亚0.5 dB噪声系数测量的过程中应注意的事项,提出了详细的思考。
     我们首先从低噪声系数测量过程中的几个不确定因素入手,而后,使用几种不同的噪声源和相同的噪声系数测量仪HP8970B来测量WBA0510AN宽带超低噪声放大器的噪声系数。
 
噪声系数测量过程中的不确定因素:
 
     在当今无线通讯应用领域中,越来越多的客户使用了万通公司噪声系数日益降低的尖端产品——低噪声放大器,这给工程师们带来的压力是如何减少噪声系数测量过程中的不确定因素,因为在噪声系数测量过程中存在许多不确定因素,它们包括:
 
★ 干扰信号
★ 测量仪器的不确定因素
★ ENR的不确定因素
★ 阻抗不匹配问题
★ 测量装置的不确定因素
 
       以下等式可用来预测噪声系数测量过程中的不确定因素。
 
∆NF = {[(FtδFt)/F1]2+[(FtδF2)/(F1G1)]2+
 
[(F2-1) δG1/(F1G1)2+[(FtG1-F2) δENR/(F1G1)]2)0.5       (1)
 
       这里,F1是被测单元的线性噪声系数,F2是噪声系数测量仪的线性噪声系数,Ft是被测单元和噪声系数测量仪的总线性噪声系数,等式(1)中所有含δ 的项均是与不确定因素相关的项,其单位为dB。对于增益较高(大于20dB)的功率放大器,等式(1)可以改写为:

∆NF ≈ (Ft/F1)( δFt2+δENR2) 0.5                                      (2)

从等式(2)可以看出,影响噪声系数

测量的主要因素是总噪声系数的不确定性和噪声源的不确定性。

在以下的章节中将对各种不确定因素进行更加详细的探讨。

a) 干扰信号
     寻呼机、无线电话、广播电台等都是常见的影响某些频率范围内噪声系数读数的干扰信号,这些信号可以通过线路连接处或测量单元本身进入测量系统。想要准确地测量噪声系数,就需要一个良好的电磁干扰屏蔽或无电磁干扰环境。有时,还必须将整个测量系统置于一个电磁干扰屏蔽室中进行测量。其它类型的干扰信号可以是被测单元自身的轻微寄生振荡,或是噪声系数仪内部产生的干扰源。被测单元的无条件稳定是消除轻微寄生振荡的关键。于是可以在噪声系数仪的输入端增加一个带通滤波器,以防通带外不必要的干扰信号进入测量系统。
 
b)   测量仪器的不确定因素
 
     测量仪器的主要不确定因素是噪声功率检测器的线性度问题。不论怎样校正,也不论被测单元的特性如何,噪声功率检测器的非线性效应总是存在的。想要降低其非线性效应,可以使用ENR值较低的噪声源,如使用6dB ENR的HP346A来代替15dB ENR的HP346B或C。目前市场上最好的噪声系数仪选择之一是HP 8970B,其不确定值只有0.05dB。
 
c)   ENR的不确定因素
  
     噪声源的ENR不确定因素可能是影响噪声系数测量的一个较大的问题。现有噪声源的典型的不确定值大约是0.10dB。图1是在不论噪声源校准与否情况下的噪声源ENR图。
由于目前噪声源的ENR不确定值的技
术指标是由NIST推荐的,虽然工程师要改进此不确定值的可能性不大,但是我们至少应该进行常规的噪声源校准和使用正确的ENR表。
  图1 典型的噪声源ENR的不确定值
d)   阻抗不匹配问题
 
     由于噪声源和被测单元之间的噪声功率反射会产生复杂的影响,而且如果噪声源的电压驻波比(VSWR)过大,将出现潜在的较大误差,因此,只有使用低ENR值和高衰减度的噪声源(如安捷伦346A,ENR在6dB范围内),才能提供最佳的准确度。同时,被测单元的输入VSWR也是一个误差来源,因此我们建议,在亚0.5dB的噪声系数测量时,VSWR是1.25或更低。
e)   测量装置的不确定因素
 
     测量装置的主要不确定因素来自从中频输入端进入噪声系数仪的各种不同频率的成分。这些来源产生的误差可发生在频率转变的过程中,也可发生在不必要的频率成分进入通带的过程中。后者所产生的不确定值,可通过在噪声系数仪的中频输入端增加一个带通滤波器,即可将它过滤掉。频率转变结构(在被测频率高于噪声系数仪的中频输入频率的情况下)将产生两个中频信号。双边带调制信号(DSB)表示两个中频信号都已进入噪声系数仪。单边带调制信号(SSB)表示只有一个信号边带(上边带或下边带)将用来产生中频信号。想要获得更好的SSB测量精确度,可在变频器的输出端与噪声系数仪的中频输入端之间增加一个特定的滤波器。

● 亚0.5 dB的噪声系数的测量
    
     在常温下,万通公司许多型号的低噪声放大器的噪声系数值都在0.50dB或者更低。要使用这些产品,如何准确的测量噪声系数对工程师来说是一个挑战。典型的低噪声放大器有:平衡低噪声放大器WA08-2433A,820-980MHz;平衡放大器WA19-1733A,1.75 –2.05 GHz;低噪声放大器WBA0510系列,500-1000MHz;低噪声放大器WLA08-4030A,820-980MHz;用于全球定位系统的低噪声放大器 WLA14-3030A 和低噪声放大器WLPA08-5555A,820-980 MHz 等。
 
     为了更具概括性,这里我们以万通公司的超低噪声放大器WBA0510AN为例展开讨论。
 
典型的WBA0510AN低噪声放大器的性能参数
 
Para
NF (dB)
Fre. (GHz)
Gain (dB)
IP3 (dBm)
P1dB (dBm)
DC
Bias
Data
0.40
0.5-1.0
38
30
15
5V
0.1A
 
     可以看到,在常温下WBA0510AN的噪声系数低达0.40dB。仅ENR的不确定因素即可引起0.10dB的测量偏差,误差25%。如果将
其它不确定因素加起来,测量偏差可能高达50%即0.20dB。如果低噪声放大器在-40℃环境下测量,不稳定因素将可能更加严重,噪声系数估计可达0.25dB的范围。你可能感到很惊讶,现代噪声系数测量方法和测量系统竟然跟不上万通公司尖端的低噪声放大器的发展步伐。但是现实给我们的答案的确如此。因此我们不得不去尝试各种各样的预防措施,以减少本文所描述的测量过程中的不确定因素。
 
由于WBA0510AN低噪声放大器的增益非常高(38dB),可以应用等式(2)来计算其噪声系数。我们可将式(2)改写为:
 
                    ∆NF ≈ (δFt2+δENR2) 0.5                                        (3)
 
考虑到 Ft/F1 ≈ 1
这样,δFt = 0.05dB,δENR = 0.10dB, 因此,测得的总噪声系数不确定值最高达0.11dB。下面是常温条件下测量BA0510AN 所得的噪声系数值一览表。测量过程中使用的是HP或安捷伦生产的4种不同的噪声源,并使用相同的噪声系数仪及相同的系统装置。
 
f(GHz)
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
NF1
0.39
0.38
0.37
0.37
0.37
0.37
0.37
0.38
0.39
0.39
0.40
NF2
0.35
0.36
0.34
0.35
0.35
0.34
0.36
0.35
0.37
0.39
0.37
NF3
0.42
0.44
0.41
0.43
0.46
0.44
0.45
0.45
0.50
0.50
0.50
NF4
0.39
0.39
0.37
0.39
0.41
0.40
0.42
0.42
0.47
0.48
0.46
 
注:NF1— 安捷伦346A噪声源,NF2— HP346C-1噪声源,NF3— HP346C-2噪声源,NF3— HP346C-3噪声源

使用不同的噪声源所测得的WBA0510AN
的噪声系数
图2 在常温下使用4种不同的噪声源所测得的 WBA0501AN 的噪声系数
 
     图2是测量结果图。正如我们在本文讨论中所预料的那样,使用同样的噪声系数仪来测量同一个低噪声放大器,测得的噪声系数差可达0.13dB。但是,经过本文对所有不确定因素进行分析和探究之后,我们可以从图2看出,使用安捷伦346A噪声源进行测量,由于其ENR值较低,所测得的整个频带曲线最平稳。同时,由于其噪声源的ENR值较低,使噪声源与被测单元之间形成更好的匹配,也使噪声功率检测器的线性度更佳。因此我们可预计WBA0510AN的最佳噪声系数是NF1,其范围从0.37 dB 到0.40 dB。
 

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