噪聲系數分析儀通常是作為頻譜儀的選件功能，配合標準噪聲源，用Y因子法，測量分析被測件DUT的噪聲系數。

對于小增益甚至負增益的DUT，且噪聲系數大于20dB時，需要噪聲源的超噪比ENR遠大于標準噪聲源貨架產品，文中解釋這種噪聲源的集成制作及其校準和測量方法。

計量單位常用衰減器來計量校準噪聲系數分析的準確度，當衰減量值大于20dB時，就需要自制集成標準化超高ENR的噪聲源。

噪聲系數

噪聲系數描述被測件DUT內部噪聲程度，對信噪比的惡化程度，即輸入信噪比和輸出信噪比的比值。

• F=SNR_in/SNR_out

定義噪聲系數時，輸入噪聲Nin = N0是理想器件在290K時電子學熱噪聲功率 -174dBm/Hz。

衰減器的噪聲系數

依據上述定義，衰減器的衰減量att(dB)，就等于其噪聲系數。

• 衰減器的輸出噪聲與輸入噪聲相等
  • Nout=Nin=N0;
• 輸出信號功率 Sout=Sin-att；
• 因此 NF=Sin/N0-Sout/N0=att

因此，負增益的DUT的噪聲系數通常等于其衰減量值。

多級級聯DUT時：

• F = F1+(F2-1)/G1+...
• 當G1>>1時，總噪聲系數取決于第一級噪聲系數F1
• 當第一級為衰減(負增益)，G1<1時，認為G1=1/F1
  • F = F1+(F2-1)F1 = F1·F2
  • 總的噪聲系數大于第一級噪聲系數

噪聲系數分析Y因子標準方法

頻譜儀配合外接噪聲源進行噪聲系數測試：

• 噪聲源的控制端連接頻譜儀的電源和控制接口；
• 噪聲源的超噪比ENR作為參考標準值，在頻譜儀噪聲系數測量功能中輸入；
• 噪聲源每個頻率處的ENR，是其熱態輸出噪聲功率密度，與其冷態噪聲功率密度的差值，例如，某噪聲源3GHz，溫度290K，冷態輸出-174dBm/Hz，熱態輸出-159dBm/Hz，ENR=15；
• 校準：噪聲源射頻口直接連接頻譜儀射頻端口，校準獲得Y因子以及頻譜儀自身噪聲；
• 測量：將DUT插入連接在噪聲源與頻譜儀射頻口之間，進行掃描測量，獲得DUT的噪聲系數和增益。
• 增益量程：-20~60dB
• 噪聲系數量程受限于噪聲源的超噪比ENR：
  • ENR5dB噪聲源：0~20dB
  • ENR15dB噪聲源：0~30dB
  • ENR21dB噪聲源：0~35dB
  • 在上述噪聲系數范圍，當噪聲系數大于ENR的情況，要求DUT增益大于其噪聲系數與ENR之差。

噪聲源超噪比ENR的測量和校準

用一個已知溯源ENR的標準噪聲源，進行被校目標噪聲源的ENR測量校準：

• 標準噪聲源，可以是上級計量單位校準溯源的二極管式噪聲源；
• 標準噪聲源也可以是一對冷熱電阻（如常溫電阻和液氮低溫電阻），溯源到熱力學溫度；
• 頻譜儀噪聲系數分析，用標準噪聲源直通校準；
• 更換被校噪聲源，測量和記錄ENR。

噪聲系數分析超量程方法

噪聲系數測量不確定度，決定性因素之一是噪聲源的超噪比ENR，最佳測量條件：

• ENR – (NF of SA) > 3 dB
• ENR – (NF of DUT) > 5 dB
• (NF of DUT) + (Gain of DUT) – (NF of SA) > 5 dB

當DUT噪聲系數很大而增益很小時：

• 需要在標準噪聲源基礎上集成放大器的噪聲源，實現超高ENR的噪聲輸出；
• 集成噪聲源ENR大于衰減損耗量值。

測試步驟：

• 用標準噪聲源進行直通校準；
• 標準噪聲源連接放大器和匹配衰減器作為整體自制噪聲源；
• 噪聲源的控制電源控制放大器電源的開關，或者切換手動模式，人工切換冷態和熱態進行掃描測量；
• 自制噪聲源直通頻譜儀進行ENR測量；
• 將以上ENR實測值作為自制噪聲源的ENR標準值；
• 以自制噪聲源代替標準噪聲源，進行DUT的噪聲系數測試；
• 測試布置如下圖：

總結

本方案對噪聲源的超噪比ENR進行計量校準；

基于現有標準噪聲源，配合放大器集成高ENR噪聲源；

注意噪聲源與放大器電源通斷的同步，確保冷態時兩者電源關閉，熱態時打開。

當采用大于20dB衰減器，進行噪聲系數分析儀計量校準時，特別推薦本方案。