滕玉龙沈菊霞黄玉珲/ 1.上海交通大学；.上海市计量测试技术研究院



噪声系数分析仪自动校准系统

滕玉龙1,2沈菊霞2黄玉珲2/ 1.上海交通大学；2.上海市计量测试技术研究院

摘 要针对噪声系数分析仪的校准参数多、校准过程复杂，本文采用模块化、程序化编程，基于GPIB总线技术和LabVIEW开发环境实现了对噪声系数分析仪的自动校准。与传统手工校准相比，该校准方法具有快速、简单、准确等优点。同时，通过手工操作验证以及与其他校准机构的数据比较，证明了校准程序的有效性和可靠性。

关键词噪声系数分析仪；自动校准；LabVIEW编程

0　引言

噪声系数是高频系统以及高频放大器件、混频器件的一个非常重要的技术指标，噪声系数的大小决定着系统或者是器件所能接收的最小输入电平。随着微波通信、雷达、导航等技术的迅速发展，对微波低噪声器件的要求越来越迫切，对噪声系数测量准确度要求也越来越高。设计师在设计接收系统时，必须首先测量各部件噪声系数，并进行控制，进而控制整个系统的噪声系数。

目前，常用的噪声系数测量方法有：增益法、Y因子法、冷源法等。其中，Y因子法具有较好的通用性、较简单的使用方法和较高的测量准确度，得到广泛的使用。噪声源与噪声系数分析仪形成的噪声系数测量系统使用Y因子法，其特点是通过冷热功率的比值来计算增益，准确度更好，同时也没有噪声基底淹没信号的情况，因此Y因子法适用于很大范围的噪声系数测量。

Y因子法噪声系数分析仪的校准，目前主要依据国家计量校准规范JJF 1460-2014《噪声系数分析仪》。规范中给出了频率准确度、噪声系数、增益、本机噪声系数、Y系数抖动、噪声源驱动电压、输入端口反射系数模值等参数的校准方法，校准过程十分复杂，校准时间较长，且容易带来人为误差，在目前计量任务繁重，客户要求服务质量高的情况下，对其进行自动化校准可以切实提高工作效率，具有迫切性和必要性。

针对噪声系数分析仪需要校准的参数多，校准所用标准仪器多的特点，采用模块化、结构化方式对各个校准项目进行编程。利用GPIB总线控制，在LabVIEW语言的基础上通过编制各个功能模块来实现对不同噪声系数分析仪的自动校准，在保证质量的前提下，快速高效地完成计量校准业务。

1　自动校准装置总体设计

自动校准软件的开发平台为图形化的LabVIEW语言。软件采用模块化设计，按照JJF 1460-2014的计量项目和计量方法编制校准软件，通过GPIB总线连接校准所用标准器，系统连接和控制系统示意图如图1所示。

图1　自动校准系统

根据JJF 1460-2014的要求，自动校准系统的标准器有微波信号源E8257D，放大器8447D，程控步进衰减器11713B/8496H，网络分析仪ZVA50，噪声源N4002A等。

2　程序模块设计

使用Y因子法的噪声系数分析仪工作原理如下：微处理器控制的超外差可调谐接收机可控制噪声源的通断，分别测得冷热状态下的噪声功率，通过相应计算获得噪声系数和增益。

本文针对其计量特性，选取了频率准确度、噪声系数、增益、本机噪声系数、Y系数抖动、输入端口反射系数模值这些重要且人工测量较复杂的参数，设计了模块化的自动校准程序。为了便于阅读、修改，每个模块的程序进行结构化设计，分为参数设置、结果读取、结果计算三个部分，程序框图如图2所示。

图2　结构化程序模块

2.1频率准确度校准模块

JJF 1460-2014中提供了三种校准频率准确度的方法，分别为信号源扫频法、噪声系数分析仪扫频法和信号3 dB法。考虑到校准工作可能接触不同类型的被校仪器，本设计选用对被校仪器的设置步骤较少的信号源扫频法。

噪声系数分析仪的滤波器形状是非对称的，为4 MHz带宽，中心调谐频率由滤波器曲线的半功率电平决定。因此，频率准确度的测试就转化为所选频率在滤波器曲线上Phot（热功率）的测试，由该值计算出半功率值，滤波器曲线上最接近这个半功率值的Phot（热功率）所处频率就是噪声系数分析仪的调谐频率。

2.2噪声系数校准模块

JJF 1460-2014中提供了三种校准噪声系数的方法，分别为步进衰减器法、功率计法和交替比较法。通过分析比较三种方法，步进衰减器法具有较小的测量不确定度，因此本设计使用步进衰减器法。该方法把噪声系数的校准转化为噪声系数分析仪功率值的校准。用信号源模拟噪声功率，用步进衰减器的衰减量变化模拟噪声系数的变化，把噪声系数溯源到衰减量值上，实现量传与校准。

本设计选用的步进衰减器为11713B，由于NI 及Agilent官网未提供适用于该仪器的驱动程序，因此使用VISA自行编制该仪器的驱动程序，并将该驱动程序作为子VI嵌套至增益校准模块中，以供之后的增益校准模块使用。

2.3增益校准模块

与噪声系数校准模块相似，使用衰减器模拟增益的变化，把增益溯源到衰减量值上。需要注意的是，由于噪声系数分析仪常被用于测量放大器等有源器件的噪声系数和增益，因此校准增益时需涵盖从正到负的较大范围，故使用步进衰减器的40 dB处作为增益的0值。做噪声系数分析仪的系统校准时，应把衰减量为40 dB的步进衰减器接入噪声源与噪声系数分析仪输入端之间。

2.4本机噪声系数校准模块

本机噪声系数用于描述噪声系数分析仪的本征噪声，反映了被校噪声系数分析仪自身性能的好坏及内部器件的灵敏度。使用噪声系数分析仪测量噪声系数时，使用的是级联理论，其连接框架如图3所示。做本机噪声系数校准时，略去第一级DUT，将标准噪声源与噪声系数分析仪直接连接即能测量本机噪声系数。

图3　噪声系数分析仪的级联理论框架

2.5Y系数抖动校准模块

Y系数是噪声系数分析仪分别在热态和冷态输出噪声功率下的比值，其抖动表征了噪声系数分析仪测量结果的稳定度。由于噪声系数分析仪测量的是随机噪声，各次采样的测量结果之间必然会有抖动，且抖动的大小与采样次数的平方根成反比。为了测得更为可靠的Y系数抖动值，选择多次测量（本设计测量100次）Y系数的方法来计算Y系数抖动值。

2.6输入端口反射系数模值

使用网络分析仪进行输入端口反射系数模值校准时，本设计采用自动与手动相结合的方法。首先，使用程序设置网络分析仪扫频范围、segment频率值、功率等参数，然后手动进行单端口OSL校准，之后利用程序读取测试结果，并保存于EXCEL中，以最大程度提高校准效率。

3　校准结果比较

以实验室现有的一台Agilent公司N8975A作为被校噪声系数分析仪，采用本设计的自动校准程序进行校准，并与其他校准机构对同一台设备出具的校准报告进行比对，以验证本设计的有效性。通过比较可知，本设计功能正确，所得结果准确可靠，以频率准确度为例，比较结果如表1。

表1　频率准确度测量结果比较

4　结语

通过手工验证以及与其他实验室比较，验证了本设计的有效性和可靠性。使用该自动校准程序，可大大减少工作量，节约工作时间，提升工作效率，提高测量准确度。以频率准确度为例，每个频率点需测量201个结果，再进行求和、加减、取最小值等计算，对于一般被校噪声系数分析仪需要校准至少15个频率点，手工校准大致需要8～10 h，使用本设计后校准时间缩短到1 h左右。目前，国内能够按照JJF 1460-2014对噪声系数分析仪提供校准服务的检测机构非常少，因此，本设计具有较大的实用价值。本设计的不足之处在于，对于不同厂家和型号的噪声系数分析仪需要修改噪声系数分析仪的控制VI。

参考文献

[1] 全国无线电计量技术委员会. JJF 1460-2014噪声系数分析仪校准规范[S]. 北京：中国质检出版社，2014.

[2] 伍爽，刘宇红.噪声系数的测量方法研究[J].电脑知识与技术，2013, 9(31):7125-7129.

[3] 熊邦宏.基于噪声系数的Y因数法测量探讨[J].电子质量，2012, 3:17-19.

[4] Agilent Technologies.Noise Figure Analyzers NFA Series Programmer’s Reference[K]. 2001.

[5] Agilent Technologies.Agilent噪声指数分析仪NFA系列用户指南[K].2001.

An automatic calibration system for noise figure analyzers

Teng Yulong1,2, Shen Juxia2, Huang Yuhui2
（1.Shanghai Jiao Tong University; 2. Shanghai Institute of Measutement and Testing Technology）

Abstract:There are many parameters to measure in the calibration of the noise figure analyzer, and the process is complicated. Based on GPIB bus and LabVIEW development environment the modularized and routinized calibration program realized automatic calibration. Compared to the traditional manual calibration, it is faster, less cmplicated and more accurate. Meanwhile, the verification by manual operation and comparison with data from other calibration institute proved the effectiveness and reliability of the calibration program.

Key words:noise figure analyzer; automatic calibration; LabVIEW