星載低噪聲放大器噪聲系數(shù)的高精度測試方法研究①

康紅霞，楊寧彬，高 妍，楊曉敏

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

噪聲導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化，影響通訊質(zhì)量，低噪聲放大器(LNA)位于通信系統(tǒng)的前端，前端LNA的噪聲性能對系統(tǒng)的噪聲性能有決定性的影響，而噪聲系數(shù)是低噪聲放大器的關(guān)鍵指標(biāo),因此精確測量低噪聲放大器的噪聲系數(shù)非常重要，尤其是對于衛(wèi)星等航天產(chǎn)品功率受限，星間鏈路以更佳的發(fā)射接收性能實現(xiàn)更遠的作用距離，星載低噪聲放大器的噪聲系數(shù)越來越小，如有的低至0.65 dB[1],產(chǎn)品頻段逐步提高，已有Q頻段產(chǎn)品[2]，對噪聲系數(shù)的測量精度提出了更高的要求。目前測量噪聲系數(shù)的方法主要有冷源法(也稱為直接法)，增益法和Y因子法[3-8]。傳統(tǒng)的冷源法測量精度較低，增益法受限于頻譜儀的噪聲基底測試精度難以提升，只適合10 dB以上噪聲系數(shù)的測試，Y因子法測試增益較低的被測件或者高頻段被測件時誤差較大且其測量結(jié)果準(zhǔn)確性高度依賴于匹配良好的優(yōu)質(zhì)源阻抗和負載阻抗。綜上所述，為了克服現(xiàn)有方法的缺陷,對于低噪聲放大器需要有更精確的噪聲系數(shù)測試方法。

在深入研究近年來國際上噪聲系數(shù)測試技術(shù)新進展[9-13]的基礎(chǔ)上，本文提出矢網(wǎng)冷源噪聲系數(shù)測試方法，即用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(簡稱矢網(wǎng))，結(jié)合冷源法噪聲系數(shù)測量，通過給出的矢量噪聲校準(zhǔn)及控制誤差的5項技術(shù)措施，有效提升了低噪聲放大器噪聲系數(shù)的測量精度，本文所述噪聲系數(shù)測試方法以下簡稱矢網(wǎng)冷源法。

1 矢網(wǎng)冷源法

對于一個線性二端口網(wǎng)絡(luò) ，噪聲系數(shù)定義[3]為輸入端信噪比與輸出端信噪比的比值，噪聲系數(shù)常用噪聲因子的對數(shù)表達形式NF=10log(F)。其中噪聲因子式(1)中，

(1)

Si為輸入信號功率，Ni為輸入端噪聲功率，So為輸出信號功率，No為輸出端噪聲功率，Na為被測件的噪聲功率，k是玻爾茲曼常數(shù)1.38×10-23J/K，To是標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度290 K，B是噪聲帶寬，G是被測件增益。

冷源法噪聲系數(shù)測試原理如圖1所示，在被測件輸入端連接一個物理溫度為290 K的負載，在被測件的輸出端直接測試輸出噪聲功率，測試得到放大器的增益，由式(1)計算出噪聲因子。

(b)基本原理

精確的冷源法測量須具備的條件之一是高精度的被測件增益，矢網(wǎng)通過雙端口矢量誤差修正可以提供所需的精度。將冷源法與矢網(wǎng)特性相結(jié)合，通過在矢網(wǎng)內(nèi)配置阻抗調(diào)諧器和噪聲接收機組成的噪聲系數(shù)測試系統(tǒng)，能夠修正不完美的源匹配帶來的噪聲參數(shù)誤差和失配誤差，其原理如下：

一個產(chǎn)品在任何反射參數(shù)下的噪聲因子F都可以表述為4個變量Fmin、Γopt、Rn、Γs的式子[9]，式(2)中，Γopt為最佳復(fù)反射系數(shù)，是噪聲因子測量的最佳阻抗；Fmin為最小噪聲因子，發(fā)生在Γopt；Rn為噪聲電阻，是源阻抗改變時噪聲電平的變化率，是一個標(biāo)量；Γs為源阻抗；系統(tǒng)阻抗Zo一般為50 Ω。Γopt、Fmin、Rn是噪聲參數(shù)，是被測件的固有參數(shù)，式(2)表述了噪聲因子和噪聲參數(shù)的關(guān)系。式(2)也表明噪聲因子是源阻抗的函數(shù)，測量到的噪聲系數(shù)隨系統(tǒng)源阻抗的變化而變化。這種效應(yīng)既發(fā)生在被測件的輸入端，也發(fā)生在測試儀器的輸入端，如果不進行修正，噪聲參數(shù)的影響會成為一個很大的誤差源。

(2)

矢網(wǎng)冷源法的修正方法如下：位于矢網(wǎng)端口1的阻抗調(diào)諧器以50 Ω附近為中心改變源阻抗，提供一組非50 Ω的阻抗，它們的值是已知的，在每個頻率點提供4～7種阻抗?fàn)顟B(tài)，在每種阻抗值測量來自被測件的噪聲功率。在校準(zhǔn)過程中測量得到4～7種阻抗?fàn)顟B(tài)的Γs，在對被測件測量過程中測量對應(yīng)的噪聲功率，得到4～7組對應(yīng)的阻抗-噪聲功率對，用來解出包括4個未知量(Γopt_幅度、Γopt_相位、Fmin、Rn)的噪聲參數(shù)方程組，再用解出來的噪聲參數(shù)由式(2)計算50 Ω處的噪聲系數(shù)。在測試系統(tǒng)校準(zhǔn)期間，在不同的源阻抗?fàn)顟B(tài)測量噪聲接收機的噪聲功率，用同樣的方法得到噪聲接收機的噪聲參數(shù)。上述方法通過獲得噪聲參數(shù)進行源修正，很大程度上降低了噪聲參數(shù)效應(yīng)對噪聲系數(shù)帶來的影響；在系統(tǒng)校準(zhǔn)過程中也獲得了源端匹配Γs、噪聲接收機負載匹配參數(shù)Γr，被測件測試過程中獲得其輸入輸出端口的S11和S22，據(jù)此對測試過程中的失配誤差也進行了修正，這是本方法提高精度的主要途徑。

圖2所示為設(shè)計的基于矢網(wǎng)冷源法的低噪聲放大器(DUT)噪聲系數(shù)測試框圖，其中矢網(wǎng)采用是德科技公司的PNA-X，用一個電子校準(zhǔn)件作阻抗調(diào)諧器，噪聲接收機專門用于測量噪聲功率，功率計通過GPIB接口與矢網(wǎng)連接，使用功率計和另外一個電子校準(zhǔn)件(虛線方框內(nèi)所示)對測量系統(tǒng)進行校準(zhǔn)，計算機通過LAN接口采集矢網(wǎng)的測試數(shù)據(jù)用于實時分析測量不確定度，測試人員根據(jù)分析情況可進一步優(yōu)化設(shè)置測試參數(shù)。

圖2 基于矢網(wǎng)冷源法的低噪聲放大器噪聲系數(shù)測試框圖

1.1 測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)

測試前測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)也是保證測量精度的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用的矢量噪聲校準(zhǔn)方法包括以下3步：

1)進行源功率標(biāo)定。將功率計連接至矢網(wǎng)端口1進行源功率校準(zhǔn)，校準(zhǔn)電平優(yōu)選0 dBm，通過帶向?qū)У男拚ヅ湔`差的功率校準(zhǔn)，使矢網(wǎng)噪聲接收機與功率計的頻率響應(yīng)有相同的準(zhǔn)確度。

2)噪聲接收機增益和噪聲系數(shù)標(biāo)定。用直通件連接矢網(wǎng)端口1和端口2,矢網(wǎng)先測試出噪聲接收機增益，再測出阻抗調(diào)諧器在4～7個阻抗?fàn)顟B(tài)的噪聲輸出功率、阻抗調(diào)諧器源匹配Γs和噪聲接收機負載匹配Γr。

3)進行標(biāo)準(zhǔn)S參數(shù)雙端口校準(zhǔn)。在矢網(wǎng)端口1和端口2之間連接校準(zhǔn)件，測出阻抗調(diào)諧器在4～7個阻抗?fàn)顟B(tài)下，不同源匹配時所對應(yīng)的系統(tǒng)誤差，然后作修正。校準(zhǔn)件可以為電子校準(zhǔn)件或機械校準(zhǔn)件，本文優(yōu)選精度更高的電子校準(zhǔn)件N4291B，其產(chǎn)生的S21不確定度為0.057 dB，而常見機械校準(zhǔn)件85052D的不確定度達0.166 dB[9]。

通過校準(zhǔn)得到了噪聲接收機的噪聲參數(shù)，校準(zhǔn)步驟1也可選用噪聲源方法，本文校準(zhǔn)優(yōu)選功率計法，校準(zhǔn)精度優(yōu)于噪聲源[11]校準(zhǔn)法。阻抗?fàn)顟B(tài)最少為4個，選用的阻抗?fàn)顟B(tài)越多，測量精度越高。

1.2 測試中控制誤差措施

實際測試過程中，還需要控制多項重要的誤差源，減少各個環(huán)節(jié)的誤差，給出如下5項具體措施：

1)根據(jù)低噪聲放大器特點優(yōu)化矢網(wǎng)激勵參數(shù)，提高S參數(shù)校準(zhǔn)精度，降低S21不確定度。低噪聲放大器在增益測試時輸入電平通常較低，如果按常規(guī)在校準(zhǔn)和測試時輸入端口都選擇低電平難以達到高的測量精度，可通過手動選擇源端衰減器，在校準(zhǔn)和測量時保持該衰減器不變，校準(zhǔn)時提高電平，測試時再降低電平[14]。輸出端電平設(shè)置時先去耦合(矢網(wǎng)默認兩個端口電平為耦合方式)，再獨立設(shè)置輸出端口為高電平，其原因是低噪聲放大器通常有很高的反向隔離度，反向測量時到達測量接收機的電平很低會影響S參數(shù)的測量精度，另外被測件輸出端口的S22用于噪聲修正，因此該端口功率必須足夠高，才能保證反射測量具有良好的信噪比；

2)避免噪聲接收機壓縮引起噪聲系數(shù)測量誤差。噪聲接收機增益有高、中、低三檔，測試時依據(jù)被測件增益與噪聲系數(shù)之和進行選擇，需避免噪聲接收機工作于壓縮狀態(tài)，在考慮壓縮時須同時考慮被測件的增益和帶寬，因為隨著增益和帶寬的增加，被測件輸出的噪聲功率在增大，當(dāng)噪聲接收機壓縮時，會導(dǎo)致噪聲系數(shù)測試結(jié)果偏小，壓縮不確定度增大，嚴重時甚至?xí)p壞噪聲接收機。如果儀器提示接收機壓縮，這時需降低接收機增益再進行測試，不需重新校準(zhǔn)。噪聲接收機處于輕微壓縮狀態(tài)時儀器沒有提示信息，本文提出的測試過程中采用“實時不確定度分析”方法是判斷噪聲接收機是否壓縮的有效方法，有效降低壓縮不確定度；

3) 在噪聲功率測量中適當(dāng)增加噪聲接收機測量帶寬用以降低測量中的抖動，但是接收機測量帶寬應(yīng)小于被測件帶寬。由于噪聲接收機測量的是隨機噪聲，各次采樣的測量結(jié)果之間必然會有抖動。噪聲抖動的大小與采樣次數(shù)的平方根成反比，而單位時間的采樣次數(shù)與帶寬成正比，因此較寬的帶寬可以在相同的時間內(nèi)提供更多的采樣數(shù)，從而在相同測量時間內(nèi)降低了抖動；

4)在校準(zhǔn)過程和測試過程均選擇噪聲平均(Noise Averaging)以減小抖動。如果在校準(zhǔn)過程中沒有使用噪聲平均，即使之后測試中使用噪聲平均，校準(zhǔn)過程中出現(xiàn)的噪聲也無法從后續(xù)測量中去除。在校準(zhǔn)和測試過程中推薦使用10～20次平均，增加平均次數(shù)會增加測量時間，平均次數(shù)選取應(yīng)在測量精度得到保證時，測試時間是可接受的；

5) 降低環(huán)境溫度對測量的影響。記錄測試系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度用于計算輸入噪聲功率的修正值，在校準(zhǔn)向?qū)У妮斎肟蛟O(shè)置該環(huán)境溫度，該值應(yīng)該代表從校準(zhǔn)端面之前矢網(wǎng)的所有組件的平均溫度。

2 實驗驗證及測量不確定度分析

以一臺工作頻段在14 GHz～14.5 GHz的Ku頻段低噪聲放大器為例，用矢網(wǎng)冷源法和Y因子法進行了實際的性能指標(biāo)測量，測試情況詳見2.1節(jié)和2.2節(jié)。

2.1 矢網(wǎng)冷源法測量結(jié)果

用PNA-X矢網(wǎng)對Ku頻段低噪聲放大器的噪聲系數(shù)進行測量，按照1.2節(jié)的原則設(shè)置矢網(wǎng)的端口電平、衰減器等參數(shù)，詳見表1，噪聲接收機選擇中檔增益。采用功率計和電子校準(zhǔn)件在校準(zhǔn)程序引導(dǎo)下校準(zhǔn)，然后按圖2連接被測件測試，測試結(jié)果見表1，其測量不確定度分析結(jié)果見表2，對于正態(tài)分布，擴展不確定度的置信區(qū)間約為95%[15]。

表1 測試參數(shù)設(shè)置及測試結(jié)果

表2 矢網(wǎng)冷源法測試噪聲系數(shù)測量不確定度分析

測試過程中，在首次測試完成后的不確定度分析結(jié)果中觀察到壓縮不確定度最大為0.06 dB，應(yīng)用第1.2節(jié)第2項技術(shù)措施，改選低增益檔測試，接收機壓縮不確定度降至0.005 dB，中心頻率處噪聲系數(shù)示值由1.65 dB變?yōu)?.79 dB。

2.2 Y因子法測量結(jié)果

噪聲系數(shù)分析儀測量原理是Y因子法，用N8975A噪聲系數(shù)分析儀對被測件進行測試，測試連接見圖3，噪聲測量帶寬4 MHz。首先用N4000A噪聲源連接至噪聲系數(shù)分析儀輸入端進行校準(zhǔn)，然后接入被測件測量。表3顯示了使用Y因子法測試被測件的噪聲系數(shù)、增益的測試結(jié)果，其測量不確定度分析見表4。

圖3 基于Y因子法的低噪聲放大器噪聲系數(shù)測試框圖

表3 Y因子法測試參數(shù)設(shè)置及測試結(jié)果

表4 Y因子法測試噪聲系數(shù)測量不確定度分析

如表5所示，在14.25 GHz使用矢網(wǎng)冷源法測量的不確定度為0.17 dB,Y因子法測量的不確定度為0.38 dB。由此可見矢網(wǎng)冷源法的測量不確定度優(yōu)于Y因子法。

表5 矢網(wǎng)冷源法的測試結(jié)果與Y因子法測試結(jié)果對比

3 結(jié)論

本文提出采用冷源法噪聲系數(shù)測試和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相結(jié)合并在過程中采用矢量噪聲校準(zhǔn)與計算機實時在線分析測量不確定度等措施測試低噪聲放大器噪聲系數(shù)的方法，可消除失配和噪聲參數(shù)誤差，這些誤差也存在于Y因子測試方法中，通過實驗結(jié)果比對，表明矢網(wǎng)冷源法是提高低噪聲放大器噪聲系數(shù)測量精度的有效途徑。高精度的噪聲系數(shù)測量結(jié)果有助于更精確驗證電路模型，優(yōu)化系統(tǒng)配置，提高系統(tǒng)工作能力，目前業(yè)界已有高達50 GHz的噪聲接收機選件可配置到矢網(wǎng)中，可用于如Ka[16]、Q等更高頻段低噪聲放大器采用矢網(wǎng)冷源法測試噪聲系數(shù)，并可進一步推廣到行波管放大器的噪聲系數(shù)測試。