被“遗忘”的噪声系数测试方法

Test Card

曾经在《噪声系数系列：噪声系数定义及影响》一文中提到了目前噪声系数的三种测试方法，增益法、Y因子法和基于矢量网络分析仪的测试方法，除这三种方法外，还有一种称为“冷源法”的测试方法。

为什么称为冷源法呢？是因为没有采用噪声源，无论是校准还是测试，输入噪声功率都是背景热噪声功率。增益法其实也是一种冷源法，但是，冷源法不能简单地归为增益法，可以认为是增益法的改进版，二者有什么区别呢？

冷源法测试思路

增益法没有使用噪声源，也没有修正频谱仪自身噪声系数带来的影响，几乎全是凭借DUT自身的高增益保证测试精度。

而冷源法比增益法更先进一些，考虑了频谱仪自身的噪声系数，即测试结果修正了频谱仪带来的影响，不再像增益法那样对DUT增益有过高的要求了。

类似于Y因子法，冷源法主要分为两步：校准和测试。除非特别说明，下面的介绍均基于T0 (290K)温度这一假设。

步骤一：校准

校准的目的是获取频谱仪自身的噪声系数，以便对测试结果进行修正。图1给出了校准组网示意图，直接将50 Ohm匹配负载连接至频谱仪端口，不建议经过线缆连接，以提高校准精度。

图1. 冷源法校准组网示意图

频谱仪测得噪声功率为

NSA = KBT0 × GSA × FSA

式中，B为噪声带宽，GSA为频谱仪的增益，FSA为频谱仪的噪声因子。尤其要说明的是，如果手动测试噪声功率，一般观测的是RBW带宽内的功率，但是RBW并不是实际的噪声带宽，而是与噪声带宽有一定的关系，不同的filter类型，对应的系数不同。

在校准中，需要精确已知噪声带宽B的大小，否则会给测试带来一定的误差。但是，当DUT的增益比较高时，即使使用RBW代替噪声带宽进行计算，高增益也会弱化这对测试结果的影响。

因为频谱仪经过了自校准，理论上输入多大功率，测得的功率就是多少，这意味着其增益可以理解为1，则上式可变换为

NSA = KBT0 × FSA

写成对数形式为

NSA(dBm) = -174dBm/Hz + 10lgB + NFSA

根据上式便可以计算出频谱仪自身的噪声系数NFSA。

步骤二：测试NF

在DUT输入端连接50 Ohm匹配负载，如图2所示，频谱仪测得的噪声功率为

NDUT&SA = kBT0 × GDUT&SA × FDUT&SA

式中，GDUT&SA就是DUT与SA总体的增益，FDUT&SA为DUT与SA总体的噪声因子。因假设频谱仪为单位增益，故根据GDUT和频谱仪测得的噪声功率便可以计算出总噪声因子。

值得一提的是，冷源法要求DUT的增益是精确已知的。

根据DUT与频谱仪的噪声因子级联公式，便可以计算出DUT本身的噪声因子。

FDUT&SA = FDUT + (FSA - 1)/GDUT

图2. 冷源法测试组网示意图

具体是否打开频谱仪前置放大器，要视DUT的增益高低而定，如果DUT增益非常高，比如超过30dB，可以不打开前置放大器。因为DUT输出的噪声功率比较高，打开前置放大器后，容易引起频谱仪过载。

如何提高冷源法测试精度？

作为一种改进的增益测试法，其适用范围和测试精度自然更好，但实际操作时，仍然还有一些注意事项。

精确已知DUT增益

与Y因子法不同，冷源法过程中无法测得DUT增益，因此需要已知增益，以便利用级联公式求解DUT本身的噪声因子。

高增益更容易获得高精度

对于冷源法，DUT增益越高，馈入频谱仪的总噪声功率越高，越容易准确测试。根据经验，要求总噪声功率高于频谱仪底噪至少6dB，因此当增益较高时，更容易保证精度。

高噪声系数对测试更有利

这一点怎么理解呢？这一点是相对的，如果DUT增益非常高，冷源法也是能够测试非常低的噪声系数的。但，如果DUT增益比较低，比如10dB甚至更低，就限制了测试低噪声系数的能力。还是从准确测试噪声功率的角度考虑，当DUT本身噪声系数比较高时，自身产生的噪声功率才更高，频谱仪才更加容易测试准确。

使用衰减器改善测试精度

如果DUT本身的端口VSWR不好，这会对噪声系数测试造成影响。为了改善这一点，可以考虑在前后使用合适的衰减器，以改善端口VSWR。

精确已知测量时的噪声带宽

任何滤波器都有自身的等效噪声带宽，通过滤波器的所有功率都等效在一个功率谱密度恒定的带宽内，这个带宽就是等效噪声带宽。噪声带宽不同于滤波器的3dB带宽，在冷源法的校准和测试过程中，都需要噪声带宽进行相应的计算。

值得一提的是，Y因子法并不需要已知噪声带宽，因为计算过程中，噪声带宽相互抵消，在后面的文章中，将详细介绍这一点。