扩展噪声系数测试仪测量频率范围的方法

无线通信和卫星通信的快速发展对高频段处的噪声系数精确测量提出要求。本文介绍了利用外接混频模块扩展噪声系数测试仪测量频率范围的原理和方法。论述了如何根据测量精度的要求选取混频模块增益和噪声系数，并提出两种实用的混频模块结构。

噪声系数是射频电路的关键指标之一，它决定了接收机的灵敏度，影响着模拟通信系统的信噪比和数字通信系统的误码率。无线通信和卫星通信的快速发展对器件、子系统和系统的噪声性能要求越来越高，无线通信所使用的频段也向更高级别发展，这就要求能够对高频段处的噪声系数进行精确测量。老一代噪声系数测试仪的最高测量频率较低，如HP 8970A，只能测量到1.5GHz。为了扩展测量的频率范围，需要外接混频模块，将待测频段内的信号下变频到噪声系数测试仪接收机的频率范围内。

噪声系数测试仪普遍采用Y参数法测量噪声系数。测量过程包括校准和测量两个步骤：在校准过程中，测量噪声系数测试仪接收机的等效输入噪声温度T2；在测量过程中，测量待测器件(DUT)和接收机级联的等效输入噪声温度T12。通过两级级联的噪声温度计算公式得到DUT的等效输入噪声温度，如公式(1)：

其中GDUT为DUT的增益，通过测量得到。噪声系数测试仪还能够显示噪声因数或噪声系数，噪声因数、噪声系数与噪声温度之间的关系是：

其中T0=290K，为标准噪声温度。

测量原理

利用外接混频模块扩展噪声系数测试仪测量频率范围，如图1所示。新的测量系统接收机为混频模块和原噪声系数测试仪接收机的级联。通过校准得到新接收机的噪声温度，插入DUT之后测量得到DUT和新接收机级联的噪声温度，然后利用级联公式得到DUT在高频段处的噪声温度。

混频模块有两种工作方式：其一，本振频率固定，中频信号频率随射频信号频率变化而变化。这种方式下，测量的频率范围小于原噪声系数测试仪接收机的频带宽度；其二，本振信号频率随射频信号频率变化，使得中频信号频率保持不变。这种方式下，测量的频率范围不受原接收机频带宽度的限制，但要求噪声系数测试仪能够控制扫频本振源(信号源)。

混频模块设计

噪声系数测量的误差主要由测量系统接收机的结构和噪声系数、接收机噪声系数的不确定度、噪声源的不确定度、校准和测量过程中各端口的匹配情况以及DUT的增益等决定。对于外接混频模块的测量方式，为了提高测量精度，混频模块需要具有合适的结构、较小的噪声系数、较小的输入输出端口驻波比和一定的增益，此外还需要选择合适的本振频率和噪声源。

噪声系数测量的误差随测量系统接收机的噪声系数增大而迅速增大，对于低噪声、低增益的DUT，影响尤为明显。为了提高测量精度，噪声系数测试仪接收机一般具有较低的噪声系数。在利用外接混频模块扩展噪声系数测试仪测量频率范围时，新测量系统接收机的噪声因数和噪声系数由公式(3)决定：

其中F2、F2"、Fm分别为原接收机、新接收机和混频模块的噪声因数；NF2、NF2'、NFm分别为原接收机、新接收机和混频模块的噪声系数。Gm和Gm(dB)为混频模块的增益和增益的dB表示形式。

为了在高频段内保持或提高原有测量精度，新接收机的噪声系数必须满足以下条件：

由上式可知，Gm>1，Gm(dB)>0dB。对于高增益的DUT，需要选择增益合适的混频模块。设噪声系数测试仪在一定的内部衰减情况下能够线性测量的增益范围是Gmin(dB)～Gmax(dB)，能够测量的最大噪声系数为NFmax，则

公式(4)(6)(7)是选取混频模块增益和噪声系数的依据，它们决定了混频模块的结构和各部分指标的分配。

测量系统和DUT的匹配情况直接影响到测量精度。用外接混频模块扩展测量频率范围时，新测量系统的输入驻波比主要由混频模块第一级的输入驻波比决定。由于低噪声放大器的输入驻波比和噪声系数是一对矛盾的指标，而滤波器在通带内具有较好的驻波比，在其损耗较小的情况下作为混频模块的第一极，可以减小低噪声放大器的设计难度，如图2所示。若使用的滤波器损耗较大，如YIG滤波器，为了使接收机具有较低的噪声系数，则需要低噪声放大器作为前级，并在其输入端放置隔离器以得到较小的输入驻波比，如图3所示。

如果各器件的典型参数设置为：低噪声射频放大器增益20dB；噪声系数3dB；无源混频器变频损耗8dB；噪声系数近似8dB；有源混频器变频增益10dB；噪声系数13dB；射频、中频滤波器损耗2dB；隔离器损耗0.5dB；原接收机噪声系数8dB。则图2和图3所示混频模块的噪声系数、增益和由其构成的新接收机的噪声系数如表1所示(混频器分为有源或者无源两种情况)。

由表1可以看出，通过合理设计，能使新接收机的噪声系数比原接收机小，图3与图2的结构相比，具有基本相同的增益和更小的噪声系数。由有源混频器组成的混频模块具有极低的噪声系数和较高的增益，所以能够精确测量小增益和低噪声系数的DUT；由无源混频器组成的混频模块具有中等的噪声系数和较小的增益，能够测量高增益DUT。无源混频器要求较大的本振功率作为驱动，为了减小对本振信号功率的要求，可以在本振端加上放大器，或者选择内置有本振信号放大功能的混频器。

外接混频模块的测量系统为了保证测量精度而具有一定的增益，这就加强了对低增益或者有损DUT的测量能力，但是减弱了对高增益DUT的测量能力。为了改善这种情况，可以在高增益DUT后面接上衰减器进行测量，并对结果进行DUT之后额外损耗的修正。

混频器将输入端频率为LOIF的射频信号都变频到中频，此时测量得到的是双边带噪声系数，是上边带和下边带测量结果的平均值。射频滤波器的作用是抑制镜像信号，进行单边带测量，如图4所示。

所有本振源产生有用信号的同时，在有用信号频谱两端产生噪声信号。噪声功率随本振信号功率的增大而增大，随离本振频率距离的增大而迅速减小。无源混频器需要的本振功率较大，导致本振输出较大的噪声功率。本振滤波器的作用是抑制本振信号中的宽带噪声和杂散信号。如果本振源性能优异，则本振滤波器可以省掉。本振信号泄漏到中频端可能使噪声系数测试仪接收机工作在非线性区域，另外混频器产生的其它谐波分量进入接收机也会影响测量精度。中频滤波器可以有效抑制泄漏的本振信号和混频器产生的各种无用信号。本振信号频率应该远离接收机的中频范围，以避免本振信号进入接收机。射频信号与本振信号越远，射频信号与其镜像信号就距离越远，从而降低了对射频滤波器的要求，如图4所示。

为了保证测量精度，必须使DUT、混频模块和接收机都工作在线性状态，另外还要选择超噪比合适的噪声源。

本文结论

对于测量大于噪声系数测试仪接收机频率范围的频段内DUT的噪声系数，可以利用外接混频模块来实现。并且通过降低混频模块的噪声系数和输入驻波比，使用必要的滤波器，选择合适的本振频率等方法可得到较好的测量精度。相对于购买昂贵的新一代超宽频带噪声系数分析仪，这种方法大大节约了测量成本。

作者：黄涛、郭伟、张祖荫

华中科技大学电子与信息工程系