最经典的噪声系数测试方法—Y因子法

Test Card

有源器件的噪声系数是一个非常重要的指标，尤其是对于射频前端的LNA而言，其决定了整个接收链路的噪声系数，将直接影响接收灵敏度。因此，噪声系数的测试在射频前端有源器件的研发过程中尤为重要。目前比较常见的噪声系数测试方法有多种，本文将介绍其中最经典的方法——Y因子法。

Y因子法测试噪声系数需要使用频谱仪和噪声源，其与增益法的主要区别在于，测试过程中可以确定DUT增益，同时也能够从测试结果中去除频谱仪自身噪声系数对测试引入的影响。

Y因子法测试

Y因子法操作过程分为两步：校准和测试。期间需要使用噪声源为DUT提供噪声激励功率，具有On和Off两个状态，分别对应不同的等效噪声温度，频谱仪可控制噪声源的开、关状态。

噪声源具有一定的工作频率，核心指标是ENR，表征产生噪声功率的能力，其定义为

ENR(dB) = 10lg[(Ton - Toff)/T0]

其中，Ton和Toff分别是噪声源打开和关闭时的等效噪声温度。

图1. 校准连接示意图

步骤一：校准

校准目的是获得频谱仪自身的噪声系数，直接将噪声源连接至频谱仪接口。T0 (290K) 温度下，在噪声源关闭和打开时频谱仪测得的功率分别为

Noff = kBT0 × GSA + KBTSA × GSA

Non = kBTon × GSA + KBTSA × GSA

式中，GSA为频谱仪校准后的增益，TSA为频谱仪自身的等效噪声温度。

定义Y因子为

Y = Non/Noff = (Ton + TSA)/(T0 + TSA)

分子、分母同时除以T0可得

Y = (Ton/T0 + TSA/T0)/(1 + TSA/T0)

其中分母就是频谱仪的噪声因子FSA，即

FSA = 1 + TSA/T0

则变换后可得

Y = (Ton/T0 - 1)/FSA + 1

FSA = (Ton/T0 - 1)/(Y - 1)

又因室温为T0，就是噪声源关闭时的等效噪声温度，因此上式写成对数形式为

NFSA(dB) = ENR - 10lg(Y - 1)

至此，已经完成了频谱仪自身噪声系数的确定。

步骤二：测试

作为最经典的噪声系数测试方法，Y因子法功能确实强大，不仅可以完成噪声系数的测试，而且还可以完成增益的测试，当然，增益测试是噪声系数测试的前提。

在这一步中，将会把DUT和频谱仪当做一个二级级联模块，第一级是DUT，第二级是频谱仪。首先确定总体的噪声因子，然后再根据级联公式确定DUT本身的噪声因子。

图2. 测试连接示意图

T0 (290K) 温度下，在噪声源关闭和打开时频谱仪测得的功率分别为

Nt,off = kBT0 × Gt + kBTt × Gt

Nt,on = kBTon × Gt + kBTt× Gt

式中，Gt和Tt分别为DUT和频谱仪总体的增益和等效噪声温度。

则Y因子为

Y = Nt,on/Nt,off = (Ton + Tt)/(T0 + Tt)

进一步化简可得

Y = (Ton/T0 - 1)/Ft + 1

Ft = (Ton/T0 - 1)/(Y - 1)

写为对数形式为

NFt(dB) = ENR - 10lg(Y - 1)

以上确定了总体的噪声系数，根据级联公式

Ft = FDUT + (FSA - 1)/GDUT

便可以确定DUT的噪声因子。但是如何确定DUT的增益呢？

利用校准和测试过程中频谱仪测得的噪声功率，便可以按照如下公式确定DUT的增益。

GDUT = (Nt,on - Nt,off)/(Non - Noff)

大家可以尝试推导一下~~