星载低噪声放大器噪声系数的高精度测试方法研究①

康红霞，杨宁彬，高 妍，杨晓敏

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

噪声导致系统性能恶化，影响通讯质量，低噪声放大器(LNA)位于通信系统的前端，前端LNA的噪声性能对系统的噪声性能有决定性的影响，而噪声系数是低噪声放大器的关键指标,因此精确测量低噪声放大器的噪声系数非常重要，尤其是对于卫星等航天产品功率受限，星间链路以更佳的发射接收性能实现更远的作用距离，星载低噪声放大器的噪声系数越来越小，如有的低至0.65 dB[1],产品频段逐步提高，已有Q频段产品[2]，对噪声系数的测量精度提出了更高的要求。目前测量噪声系数的方法主要有冷源法(也称为直接法)，增益法和Y因子法[3-8]。传统的冷源法测量精度较低，增益法受限于频谱仪的噪声基底测试精度难以提升，只适合10 dB以上噪声系数的测试，Y因子法测试增益较低的被测件或者高频段被测件时误差较大且其测量结果准确性高度依赖于匹配良好的优质源阻抗和负载阻抗。综上所述，为了克服现有方法的缺陷,对于低噪声放大器需要有更精确的噪声系数测试方法。

在深入研究近年来国际上噪声系数测试技术新进展[9-13]的基础上，本文提出矢网冷源噪声系数测试方法，即用矢量网络分析仪(简称矢网)，结合冷源法噪声系数测量，通过给出的矢量噪声校准及控制误差的5项技术措施，有效提升了低噪声放大器噪声系数的测量精度，本文所述噪声系数测试方法以下简称矢网冷源法。

1 矢网冷源法

对于一个线性二端口网络 ，噪声系数定义[3]为输入端信噪比与输出端信噪比的比值，噪声系数常用噪声因子的对数表达形式NF=10log(F)。其中噪声因子式(1)中，

(1)

Si为输入信号功率，Ni为输入端噪声功率，So为输出信号功率，No为输出端噪声功率，Na为被测件的噪声功率，k是玻尔兹曼常数1.38×10-23J/K，To是标准噪声温度290 K，B是噪声带宽，G是被测件增益。

冷源法噪声系数测试原理如图1所示，在被测件输入端连接一个物理温度为290 K的负载，在被测件的输出端直接测试输出噪声功率，测试得到放大器的增益，由式(1)计算出噪声因子。

(b)基本原理

精确的冷源法测量须具备的条件之一是高精度的被测件增益，矢网通过双端口矢量误差修正可以提供所需的精度。将冷源法与矢网特性相结合，通过在矢网内配置阻抗调谐器和噪声接收机组成的噪声系数测试系统，能够修正不完美的源匹配带来的噪声参数误差和失配误差，其原理如下：

一个产品在任何反射参数下的噪声因子F都可以表述为4个变量Fmin、Γopt、Rn、Γs的式子[9]，式(2)中，Γopt为最佳复反射系数，是噪声因子测量的最佳阻抗；Fmin为最小噪声因子，发生在Γopt；Rn为噪声电阻，是源阻抗改变时噪声电平的变化率，是一个标量；Γs为源阻抗；系统阻抗Zo一般为50 Ω。Γopt、Fmin、Rn是噪声参数，是被测件的固有参数，式(2)表述了噪声因子和噪声参数的关系。式(2)也表明噪声因子是源阻抗的函数，测量到的噪声系数随系统源阻抗的变化而变化。这种效应既发生在被测件的输入端，也发生在测试仪器的输入端，如果不进行修正，噪声参数的影响会成为一个很大的误差源。

(2)

矢网冷源法的修正方法如下：位于矢网端口1的阻抗调谐器以50 Ω附近为中心改变源阻抗，提供一组非50 Ω的阻抗，它们的值是已知的，在每个频率点提供4～7种阻抗状态，在每种阻抗值测量来自被测件的噪声功率。在校准过程中测量得到4～7种阻抗状态的Γs，在对被测件测量过程中测量对应的噪声功率，得到4～7组对应的阻抗-噪声功率对，用来解出包括4个未知量(Γopt_幅度、Γopt_相位、Fmin、Rn)的噪声参数方程组，再用解出来的噪声参数由式(2)计算50 Ω处的噪声系数。在测试系统校准期间，在不同的源阻抗状态测量噪声接收机的噪声功率，用同样的方法得到噪声接收机的噪声参数。上述方法通过获得噪声参数进行源修正，很大程度上降低了噪声参数效应对噪声系数带来的影响；在系统校准过程中也获得了源端匹配Γs、噪声接收机负载匹配参数Γr，被测件测试过程中获得其输入输出端口的S11和S22，据此对测试过程中的失配误差也进行了修正，这是本方法提高精度的主要途径。

图2所示为设计的基于矢网冷源法的低噪声放大器(DUT)噪声系数测试框图，其中矢网采用是德科技公司的PNA-X，用一个电子校准件作阻抗调谐器，噪声接收机专门用于测量噪声功率，功率计通过GPIB接口与矢网连接，使用功率计和另外一个电子校准件(虚线方框内所示)对测量系统进行校准，计算机通过LAN接口采集矢网的测试数据用于实时分析测量不确定度，测试人员根据分析情况可进一步优化设置测试参数。

图2 基于矢网冷源法的低噪声放大器噪声系数测试框图

1.1 测试系统的校准

测试前测试系统的校准也是保证测量精度的一个关键环节，采用的矢量噪声校准方法包括以下3步：

1)进行源功率标定。将功率计连接至矢网端口1进行源功率校准，校准电平优选0 dBm，通过带向导的修正匹配误差的功率校准，使矢网噪声接收机与功率计的频率响应有相同的准确度。

2)噪声接收机增益和噪声系数标定。用直通件连接矢网端口1和端口2,矢网先测试出噪声接收机增益，再测出阻抗调谐器在4～7个阻抗状态的噪声输出功率、阻抗调谐器源匹配Γs和噪声接收机负载匹配Γr。

3)进行标准S参数双端口校准。在矢网端口1和端口2之间连接校准件，测出阻抗调谐器在4～7个阻抗状态下，不同源匹配时所对应的系统误差，然后作修正。校准件可以为电子校准件或机械校准件，本文优选精度更高的电子校准件N4291B，其产生的S21不确定度为0.057 dB，而常见机械校准件85052D的不确定度达0.166 dB[9]。

通过校准得到了噪声接收机的噪声参数，校准步骤1也可选用噪声源方法，本文校准优选功率计法，校准精度优于噪声源[11]校准法。阻抗状态最少为4个，选用的阻抗状态越多，测量精度越高。

1.2 测试中控制误差措施

实际测试过程中，还需要控制多项重要的误差源，减少各个环节的误差，给出如下5项具体措施：

1)根据低噪声放大器特点优化矢网激励参数，提高S参数校准精度，降低S21不确定度。低噪声放大器在增益测试时输入电平通常较低，如果按常规在校准和测试时输入端口都选择低电平难以达到高的测量精度，可通过手动选择源端衰减器，在校准和测量时保持该衰减器不变，校准时提高电平，测试时再降低电平[14]。输出端电平设置时先去耦合(矢网默认两个端口电平为耦合方式)，再独立设置输出端口为高电平，其原因是低噪声放大器通常有很高的反向隔离度，反向测量时到达测量接收机的电平很低会影响S参数的测量精度，另外被测件输出端口的S22用于噪声修正，因此该端口功率必须足够高，才能保证反射测量具有良好的信噪比；

2)避免噪声接收机压缩引起噪声系数测量误差。噪声接收机增益有高、中、低三档，测试时依据被测件增益与噪声系数之和进行选择，需避免噪声接收机工作于压缩状态，在考虑压缩时须同时考虑被测件的增益和带宽，因为随着增益和带宽的增加，被测件输出的噪声功率在增大，当噪声接收机压缩时，会导致噪声系数测试结果偏小，压缩不确定度增大，严重时甚至会损坏噪声接收机。如果仪器提示接收机压缩，这时需降低接收机增益再进行测试，不需重新校准。噪声接收机处于轻微压缩状态时仪器没有提示信息，本文提出的测试过程中采用“实时不确定度分析”方法是判断噪声接收机是否压缩的有效方法，有效降低压缩不确定度；

3) 在噪声功率测量中适当增加噪声接收机测量带宽用以降低测量中的抖动，但是接收机测量带宽应小于被测件带宽。由于噪声接收机测量的是随机噪声，各次采样的测量结果之间必然会有抖动。噪声抖动的大小与采样次数的平方根成反比，而单位时间的采样次数与带宽成正比，因此较宽的带宽可以在相同的时间内提供更多的采样数，从而在相同测量时间内降低了抖动；

4)在校准过程和测试过程均选择噪声平均(Noise Averaging)以减小抖动。如果在校准过程中没有使用噪声平均，即使之后测试中使用噪声平均，校准过程中出现的噪声也无法从后续测量中去除。在校准和测试过程中推荐使用10～20次平均，增加平均次数会增加测量时间，平均次数选取应在测量精度得到保证时，测试时间是可接受的；

5) 降低环境温度对测量的影响。记录测试系统所处的环境温度用于计算输入噪声功率的修正值，在校准向导的输入框设置该环境温度，该值应该代表从校准端面之前矢网的所有组件的平均温度。

2 实验验证及测量不确定度分析

以一台工作频段在14 GHz～14.5 GHz的Ku频段低噪声放大器为例，用矢网冷源法和Y因子法进行了实际的性能指标测量，测试情况详见2.1节和2.2节。

2.1 矢网冷源法测量结果

用PNA-X矢网对Ku频段低噪声放大器的噪声系数进行测量，按照1.2节的原则设置矢网的端口电平、衰减器等参数，详见表1，噪声接收机选择中档增益。采用功率计和电子校准件在校准程序引导下校准，然后按图2连接被测件测试，测试结果见表1，其测量不确定度分析结果见表2，对于正态分布，扩展不确定度的置信区间约为95%[15]。

表1 测试参数设置及测试结果

表2 矢网冷源法测试噪声系数测量不确定度分析

测试过程中，在首次测试完成后的不确定度分析结果中观察到压缩不确定度最大为0.06 dB，应用第1.2节第2项技术措施，改选低增益档测试，接收机压缩不确定度降至0.005 dB，中心频率处噪声系数示值由1.65 dB变为1.79 dB。

2.2 Y因子法测量结果

噪声系数分析仪测量原理是Y因子法，用N8975A噪声系数分析仪对被测件进行测试，测试连接见图3，噪声测量带宽4 MHz。首先用N4000A噪声源连接至噪声系数分析仪输入端进行校准，然后接入被测件测量。表3显示了使用Y因子法测试被测件的噪声系数、增益的测试结果，其测量不确定度分析见表4。

图3 基于Y因子法的低噪声放大器噪声系数测试框图

表3 Y因子法测试参数设置及测试结果

表4 Y因子法测试噪声系数测量不确定度分析

如表5所示，在14.25 GHz使用矢网冷源法测量的不确定度为0.17 dB,Y因子法测量的不确定度为0.38 dB。由此可见矢网冷源法的测量不确定度优于Y因子法。

表5 矢网冷源法的测试结果与Y因子法测试结果对比

3 结论

本文提出采用冷源法噪声系数测试和矢量网络分析仪相结合并在过程中采用矢量噪声校准与计算机实时在线分析测量不确定度等措施测试低噪声放大器噪声系数的方法，可消除失配和噪声参数误差，这些误差也存在于Y因子测试方法中，通过实验结果比对，表明矢网冷源法是提高低噪声放大器噪声系数测量精度的有效途径。高精度的噪声系数测量结果有助于更精确验证电路模型，优化系统配置，提高系统工作能力，目前业界已有高达50 GHz的噪声接收机选件可配置到矢网中，可用于如Ka[16]、Q等更高频段低噪声放大器采用矢网冷源法测试噪声系数，并可进一步推广到行波管放大器的噪声系数测试。