郭海帆，陈建华，陈鑫友，秦 梅，周云锋

（西南电子设备研究所，四川 成都 610036）

基于矢量网络分析仪功率测量的噪声系数测量方法

郭海帆，陈建华，陈鑫友，秦 梅，周云锋

（西南电子设备研究所，四川 成都 610036）

现有基于矢量网络分析仪进行噪声系数测量的方法必须依赖标准的噪声源，即Y系数测量法。该文提出一种通过在矢量网络分析仪源端口输出连续波信号，分别测量被测件的信号功率与信号加噪声的功率，结合校准结果和功率测量结果计算获得噪声系数的方法。通过建立测量系统的模型和理论的推导，论述该方法的原理和测量过程的噪声校准，提出的方法不需要使用经过校准具有已知超噪比的噪声源，更简单实用。

噪声系数；噪声功率；矢量网络分析仪

0 引 言

噪声系数测量是微波射频专业的一种基本测量，目前，一些矢量网络分析仪通过在内部或外部配备标准噪声源，就能利用Y系数法进行噪声系数测量。本文详细介绍了一种简便的基于矢量网络分析仪测量噪声系数的方法，这种方法不需要阻抗调谐和用噪声源进行超噪比的校准，只需使矢量网络分析仪源端口输出连续波信号，利用内部不同的检波器分别测量被测件的信号功率与信号加噪声的功率，再基于校准的结果和测量得到的功率信息，即可计算出被测件的噪声系数。

1 噪声系数的定义

噪声系数表示信号通过某电路网络后信号噪声比恶化的程度，是表征网络内部噪声大小的物理量，通常被定义为网络的输入信噪比与输出信噪比的比值。

对于二端口网络，噪声系数为网络输入端的信噪比与网络输出端的信噪比的比值，即网络的噪声系数F。

式中：Si——二端口网络输入端信号功率；

Ni——二端口网络输入端噪声功率，当输入端为290K标准温度时，Ni=kT0B=-174dBm/Hz；

S0——二端口网络输出端信号功率；

N0——二端口网络输出端噪声功率。

图1 多个模块级联示意图

图1为多个模块级联的示意图，噪声系数F为

其中n为级联数。

2 矢量网络分析仪测量噪声系数的原理

使用矢量网络分析仪测量被测件的噪声系数的测量连接图见图2。

图2 噪声系数测量连接图

为了便于分析噪声系数的测量原理，可将图2所示的系统采用图3所示的系统模型进行模拟。

图3 噪声系数测量系统模型

在图3的模型中，假设源发生器理想，除产生连续波信号外，仅产生理论噪声功率N0=kT0B（T0=290K），信号源的其他额外噪声可看作由一个虚拟的噪声系数为Fs的放大器产生；而矢量网络分析仪中的信号源产生的连续波信号可通过自身的源功率校准进行补偿，因此，可认为信号源虚拟放大器的增益Gs=1。如果在连接被测件时使用了外部衰减或内部步进衰减器，可用功率增益GA＜1和噪声系数表示，被测件的功率增益GD可通过一个矢量网络分析仪测量获得。与信号发生器类似，接收机的非理想的噪声特性也可通过一个具备噪声系数FR的虚拟放大器来建模；其不理想的连续波信号特性可通过一个传统矢量网络分析仪自身的接收机校准进行补偿，因此，可认为接收机虚拟放大器的增益GR=1[1-3]。

基于上述模型，可得到模型系统的噪声系数F为

根据系统级联的噪声系数公式可得图3模型系统的噪声系数F为

式中N0为已知量，被测件增益GD可通过网络分析仪测量获得，系统噪声功率NR可通过网络分析仪测量获得，FS和FR可通过噪声的测量校准过程获得，从而最终获得被测件的噪声系数FD。

3 系统噪声功率NR的测量

与目前广泛使用的Y系数法测噪声系数时要使用噪声源的方法不同，在使用矢量网络分析仪测量时，可直接利用数字中频的优势测量连续波信号的功率，通过采用平均和均方根的计算方法，分别获得被测件的输出信号在一定带宽内的信号功率及信号加噪声的功率，噪声功率测量原理[4-5]如图4所示。

假定Xi是一列矢量网络分析仪采样测量的值，为复数，可计算其平均值和均方根值。

式中M是采样数，通过设置测量时间确定。通过增加测量时间，就可增加采样点数和窄带滤波器的带宽，减小功率测量的变化量，从而得到更稳定的功率值。

由于被测件输出的噪声功率在信号功率的均方根值和平均值中的表现不同，因此，可由平均检波器和均方根检波器值计算噪声功率。功率的平均值仅代表连续波的功率，均方根的平方代表在测量带宽内总信号功率，包括连续波信号功率和噪声功率。

图4 噪声功率测量原理图

为便于详细推导，假设经过下变频、滤波输入接收机的信号表达式为Xi=Si+ni，S为载波信号的幅度复数表达式，n为噪声信号幅度复数表达式，可得平方检波器的值为

式（12）中右边第1项代表噪声信号功率平均值，由于白噪声在射频和中频域的平均值为0，式中的第2项会随着一个大的M快速收敛于0，因此，通过式（12）很容易获得系统噪声功率。

当射频信号下变频至中频时，使用双边带变频器，射频频率为fIF+fLO和fLO-fIF的信号经过下变频后，都会落在中频点上，而噪声是宽谱的，会在两个边带中出现，当噪声信号经过变频后，两个边带的噪声都被输入了中频接收机。由于网络分析仪的功率校准是在信号功率上进行的，而实际噪声功率在射频域只会在1个边带中出现，是中频或基带域测得的噪声功率的一半；因此，实际的系统噪声功率为两个平方律检波器的差值的一半[6]。

式中RL=50 Ω，代表系统阻抗；系数2是上式去除网络分析仪的镜像响应，单边变频引入的噪声功率；由式（13）可得到NR。

4 噪声系数的测量校准

与测量S参数一样，矢量网络分析仪在用于噪声系数测量时，需要进行有效的校准，校准过程除矢量网络分析仪本身的校准外，还包括源噪声的校准和接收机噪声的校准，从而获得FS和FR。在此仅对源噪声的校准、接收机噪声的校准方法和FS、FR的获得进行阐述。在这两项校准中，首先要进行接收机噪声校准，再进行源噪声的校准[7-8]。

1）接收机噪声校准

接收机端口自身固有的噪声可通过在接收机端口接一只50Ω匹配负载进行接收机校准，校准的模型如图5所示。通过测量接收机的绝对噪声NR，利用下式计算出接收机噪声系数FR。图5中的系统噪声系数F即为FR。

图5 接收机噪声校准模型

2）源噪声的校准

将源输出端口直接接至接收机输入端口，中间不接被测件，如果中间使用了外部衰减器，则在计算时考虑衰减值，校准的模型如图6所示。通过测量接收机的绝对噪声NR，结合接收机校准过程噪声系数FR，可以利用式（17）计算源噪声系数FS。

图6 源噪声校准模型

图6所示的系统噪声系数F为

其中通过网络仪校准后，GS=1，GR=1。

图6所示系统的噪声系数按照级联网络噪声系数计算可得：

由式（15）与式（16）相等可得：

Noise figure measurement based on power measurement from vector network analyzer

GUO Hai-fan，CHEN Jian-hua，CHEN Xin-you，QIN Mei，ZHOU Yun-feng
（Southwest China Research Institute of Electronic Equipment，Chengdu 610036，China）

The general noise figure measurement method based on vector network analyzer must depend on standard noise source，which is called the Y-factor measurement method.A noise figure measurement method was described in this paper，which used the CW signal from vector network analyzer source，and measured the signal power and the signal and noise power of the DUT respectively，and acquired noise figure by combining calibration results with power results.The principle of this measurement method and the calibration procedure were discussed by building measurement system model and deriving theory.This measurement method without a given ENR（express noise ratio）noise source is easy and practicable.

noise figure；noise power；vector network analyzer

TM935.2；TM933.3+3；TN911；TM930.12

：A

：1674-5124（2014)06-0035-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.009

2014-01-09；

：2014-03-08

郭海帆（1976-），女，河南西平县人，高级工程师，硕士，主要从事无线电计量测试等工作。