作者：應用工程師陳金明
1、噪聲系數測試的意義
噪聲系數（Noise Figure）指標可用于衡量信號經過待測件后有多少噪聲被疊加在輸入信號之上，可量化有用信號輸入待測件后信噪比（SNR）惡化的程度。它是射頻微波有源器件的關鍵指標，尤其對于射頻前端的低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA），決定了整個接收鏈路的噪聲系數，將直接影響系統的接收靈敏度。
如何描述噪聲系數的大小呢？噪聲系數的一般定義為：待測件輸入信噪比與輸出信噪比的比值，F=（Sin/Nin）/(Sout/Nout)。假定輸入信號由兩部分組成，輸入有用信號Sin和輸入噪聲Nin，因此待測件輸入端的信噪比為Sin/Nin。如果待測件的增益為G，Sout=SinG，輸出信噪比Sout/Nout=SinG/Nout，因此有F=Nout/NinG，所以噪聲系數也可以定義為待測件輸出噪聲功率與輸入噪聲功率和待測件增益乘積的比值。
圖一 待測件輸入與輸出信噪比
噪聲系數的線性表征為F=Nout/NinG，稱之為噪聲因子；噪聲系數的對數表征為FdB=10logF=10log（Nout/NinG），稱之為噪聲系數，噪聲系數的對數表征FdB使用更為廣泛。
2、噪聲系數測試方法
噪聲系數指標是有源器件的關鍵指標，噪聲系數的測試變得越來越廣泛和重要。噪聲系數測試主要有三種測試方法，第一種方法是只使用頻譜儀的增益法，這是一種簡化的方法，不需要噪聲源，被測件的增益已知并且非常高時才可使用，精度有限（不如后面兩種方法）；第二種方法是使用噪聲源和頻譜儀測試的Y因子法，該測試方法相對簡單，經過校準可以達到相當高的測量精度；第三種方法是使用矢量網絡分析儀的冷源法，該方法對測試條件要求較高，滿足條件時測試精度非常高，并且可以一次連接完成幾乎所有指標的測試，測試效率非常高。
增益法測試噪聲系數只需要使用頻譜儀，沒有從測試結果中消除頻譜儀自身噪聲帶來的影響，精度有限。分為兩步：第一步被測件輸入端端接50歐負載，在頻譜儀上測得的功率被認為被測件自身輸出的噪聲功率；第二步，根據被測件的增益計算噪聲系數結果。
Y因子法測試噪聲系數需要使用頻譜儀和噪聲源，能夠從測試結果中去除頻譜儀自身噪聲系數對測試引入的影響。分為兩步：第一步頻譜儀噪聲系數的校準；第二步測試待測件的噪聲系數。噪聲源用于為待測件提供噪聲功率，具有On和Off兩個狀態，分別對應不同的等效噪聲溫度。頻譜儀通過Noise Source Control(+28V) 接口控制噪聲源的開、關狀態。下圖為信號與頻譜分析儀FSW的噪聲系數測試結果。
圖二 基于FSW信號與頻譜分析儀的噪聲系數測試結果顯示
冷源法測試噪聲系數需要使用矢量網絡分析儀，通過校準來表征矢網的測量接收機的噪聲系數，可以使用一個功率計做掃頻測量來獲得接收機的有效噪聲帶寬。在這里需要主意的是，冷源法測量中所使用的功率計只是在校準時才用到，校準之后再對被測器件進行測試時就不再需要了。使用等于系統阻抗的電阻負載連接被測件的輸入，測量被測件的輸出噪聲功率，再使用兩端口S參數測量被測件的增益，并利用這兩個結果計算得到噪聲系數。由于矢量網絡分析儀單獨就能完成增益的測量，冷源法通常與矢量網絡分析儀一起使用。矢量網絡分析儀可同時實現噪聲系數測量、S 參數測量、壓縮測量、交調測量與變頻測量，提高了測量效率，同時也減小了反復連接帶來的不確定性。下圖為矢量網絡分析儀ZNA的噪聲系數測試結果。
圖三 基于矢量網絡分析儀ZNA的噪聲系數測試結果顯示
3、總 結
使用頻譜儀的增益法、Y因子法和矢量網絡分析儀的冷源法都可以進行噪聲系數的測試。但是增益法進行噪聲系數測試時無法測試DUT的增益和頻譜儀的噪聲系數，因此測量精度非常有限。頻譜儀的Y因子法和矢量網絡分析儀的冷源法都有校準的過程，噪聲系數的測量精度很高，使用更為廣泛和普遍。
