基于矢量网络分析仪和功率计测量噪声系数的测量方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种基于矢量网络分析仪和功率计测量噪声系数的测量方法。

背景技术

噪声系数是表征器件或系统处理低功率信号能力的重要参数，获取噪声系数后，就可以采取降低器件或系统本身噪声的方法，提高信噪比，进而减少器件或系统对传输信号产生的影响。

传统上，噪声系数是通过噪声系数分析仪测量获得。噪声系数分析仪采用Y因子法，连接示意图如图1所示。基于Y因子法的噪声系数测量包含校准和测量两个过程。校准时，噪声源与噪声系数分析仪输入端口直接相连，噪声仪提供+28V的电压，驱动噪声源工作，分别记录噪声源开关两种状态的接收机的噪声功率；测量时，如图1所示连接，噪声仪依次记录噪声源开关两种状态接收到的被测件与接收机总的噪声功率，根据噪声仪内部特定算法，计算出被测件的噪声系数和增益，显示到仪表图形界面。

现有使用噪声分析仪测量噪声系数方法有如下三个方面的不足：

其一：只适用于测量接近理想匹配的被测件，忽略了被测件与仪器之间、噪声源与被测件之间的阻抗失配等因素，对匹配不好的被测件精度欠佳；

其二：被测件的增益是计算获得的标量增益，不是真实测量的被测件矢量增益信息；

其三：用户设计放大器等微波器件时，需要测试网络参数等信息，Y因子法无法获得。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于矢量网络分析仪和功率计测量噪声系数的测量方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于矢量网络分析仪和功率计测量噪声系数的测量方法，包括校准过程和测量过程：

校准过程包括如下步骤：

步骤S11：设置矢量网络分析仪包括频率范围、点数、中频带宽Bw和功率P_src在内的参数；

步骤S12：将矢量网络分析仪的端口1连接功率计，进行端口1的源功率校准；

步骤S13：端口1和端口2直通，打开矢量网络分析仪的端口1源功率输出，使用矢量网络分析仪接收机B测量接收机功率P_B；输入功率P_src经由接收机放大或衰减后的输出功率P_B满足公式(1)，由此可计算出接收机B的内部增益G_B；

步骤S14：连接机械校准件或电子校准件进行网络仪常规全双端口S参数校准；

步骤S15：保持直通状态，关闭矢量网络分析仪的端口1源输出，使用矢量网络分析仪接收机B测量冷源状态下接收机功率P_B-cold；

步骤S16：通过温度计测量当前室内温度T_room，已知接收机中频带宽Bw，接收机内部增益G_B，由单一器件噪声功率与输入噪声温度、器件本身等效输入噪声温度的关系式：

P_B-cold＝KBwG_B(T_room+T_rec)(2)；

变换后，得到公式(3)：

其中，T_rec为噪声接收机的等效输入噪声温度，K为玻尔兹曼常数1.38×10^-23；

器件自身噪声系数F与等效输入噪声温度T_e关系如公式(4)所示：

将T_rec代入公式(4)，求出噪声接收机的噪声系数F_rec；

式中，T₀是标准噪声温度290K；

测量过程包括如下步骤：

步骤S21：使能矢量网络分析仪S参数校准；

步骤S22：在端口1与端口2之间连接被测件，测量被测件的S21，即被测件的增益G_dut；

步骤S23：关闭矢量网络分析仪端口1源输出，使用矢量网络分析仪接收机B，测量被测件和接收机总的噪声功率P_sys；

被测件与噪声接收机级联整体总的等效输入噪声温度T_sys与噪声功率P_sys存在如下关系：

P_sys＝KBwG_BG_dut(T_room+T_sys)(6)；

根据公式(6)可求出T_sys，将其代入公式(4)，求出级联整体的噪声系数F_sys：

将F_sys、F_rec和G_dut代入被测件与噪声接收机组成的级联系统噪声系数计算公式(8)：

最终求得被测件的噪声系数F_dut。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明可以精确测量被测件的矢量增益，消除端口失配引起的误差影响，进一步提高测试准确度；基于矢量网络分析仪和功率计，无需专用噪声源和噪声分析仪，将S参数与噪声系数相结合，便于放大器等器件的一体化测试。

附图说明

图1为Y因子法连接示意图。

图2为冷源法连接示意图。

图3为冷源测量方法示意图.

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

器件本身的噪声功率计算公式为：

P＝KTBw(9)；

其中，K为玻尔兹曼常数(1.38×10^-23)，T为等效噪声温度，冷源状态下T为290K，Bw为接收机带宽。

本发明基于冷源法的噪声系数测试思想，冷源法的测试如图2所示，矢量网络分析仪的端口1提供源激励信号，端口2用作噪声接收机，被测件通过电缆连接在端口1和端口2之间。首先进行常规S参数测量，获得被测件的S21(传输增益)；然后关闭源端口1，冷源状态下测出被测件的输出噪声功率P_out。

图3所示为器件的输出噪声功率与输入噪声功率关系特性曲线，已知斜率(G：器件增益)和直线上的一点(P_in，P_out)，可以计算出直线与Y轴的交点，此交点就是器件自身噪声功率P_e。

P_e＝P_out-G*P_in(10)；

为了计算方便，引入等效输入噪声温度的概念。器件本身等效噪声温度等效到输入端的噪声温度定义为等效输入噪声温度(以T_e表示)。二者之间的关系表示为：

T＝T_eG(11)

由公式(9)、公式(10)、公式(11)可计算出被测件的等效输入噪声温度T_e。

根据噪声系数的定义，可计算出噪声系数，等效输入噪声温度和噪声系数的关系式如下：

本发明的技术方案包括校准过程和测量过程：

校准过程包括如下步骤：

步骤S11：设置矢量网络分析仪包括频率范围、点数、中频带宽Bw和功率P_src(单位为W)在内的参数；

步骤S12：将矢量网络分析仪的端口1连接功率计，进行端口1的源功率校准；

步骤S13：端口1和端口2直通，打开矢量网络分析仪的端口1源功率输出，使用矢量网络分析仪接收机B测量接收机功率P_B；输入功率P_src经由接收机放大或衰减后的输出功率P_B满足公式(1)，由此可计算出接收机B的内部增益G_B；

步骤S14：连接机械校准件或电子校准件进行网络仪常规全双端口S参数校准；

步骤S15：保持直通状态，关闭矢量网络分析仪的端口1源输出，使用矢量网络分析仪接收机B测量冷源状态下接收机功率P_B-cold；

步骤S16：通过温度计测量当前室内温度T_room，已知接收机中频带宽Bw，接收机内部增益G_B，由单一器件噪声功率与输入噪声温度、器件本身等效输入噪声温度的关系式：

P_B-cold＝KBwG_B(T_room+T_rec)(2)；

变换后，得到公式(3)：

其中，T_rec为噪声接收机的等效输入噪声温度，K为玻尔兹曼常数1.38×10^-23；

噪声系数与等效输入噪声温度关系如公式(4)所示，将T_rec代入公式(4)，求出噪声接收机的噪声系数F_rec；

式中，T₀是标准噪声温度290K；

测量过程包括如下步骤：

步骤S21：使能矢量网络分析仪S参数校准；

步骤S22：在端口1与端口2之间连接被测件，测量被测件的S21，即被测件的增益G_dut；

步骤S23：关闭矢量网络分析仪端口1源输出，使用矢量网络分析仪接收机B，测量被测件和接收机总的噪声功率P_sys；

被测件与噪声接收机级联整体总的等效输入噪声温度T_sys与噪声功率P_sys存在如下关系：

P_sys＝KBwG_BG_dut(T_room+T_sys)(6)；

根据公式(6)可求出T_sys，将其代入公式(4)，求出级联整体的噪声系数F_sys：

由被测件与噪声接收机组成的级联系统噪声系数存在以下计算公式：

将F_sys、F_rec和G_dut代入公式(8)，最终求得被测件的噪声系数F_dut。

关键技术和难点：

1、源功率校准技术

网络仪源输出经由同轴传输线、电桥和耦合器等器件，到达被测件，输出功率与实际的设置值会产生误差。为了消除源输出路径所带来的误差，采用功率计校准方式，修正端口输出功率。在用户指定频率范围内选择点数，进而指定频点，依次扫描所有频点，功率计精确测量端口输出功率，计算出单个频点实测值与设置值之间的差值，记录下来。校准完毕，打开源功率修正，补偿源输出差值，完成整个源功率校准过程。

2、被测件增益的精确测量

冷源法测量噪声系数的关键在于精确测量被测件的增益，而测量增益是网络仪的核心功能之一。通过全双端口校准技术，网络仪可以去除仪器本身产生的误差，测量时能够精确表征二端口器件的增益特性。

3、噪声接收机的灵敏度

由于冷源法测试要求接收机在冷源状态下测试噪声功率，噪声接收机的灵敏度就至关重要。在本发明中，噪声接收机直接采用网络仪接收机，并对其进行了优化，采用跳线形式越过端口2的定向耦合器，去除耦合器耦合度的影响，增强了网络仪接收机处理低电平信号的能力，提高了灵敏度。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。