频谱仪测量射频放大器的噪声系数

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频谱仪测量射频放大器的噪声系数詹志强(上海市计量测试技术研究院，上海 20 3 ) 02 3摘要频谱分析仪是一种通用测量仪器，除了可以测量信号频谱，率、频功率和谐波外，可以利用其较好还

的幅度测量准确度和极低的显示平均噪声电平来测量射频放大器的噪声系数，文给出了测试步骤和射频放大器本噪声系数的计算式。为在没有噪声系数测试仪的情况下测量射频放大器的噪声系数提供了新的思路。 关键词频谱仪；噪声系数；射频放大器；噪声源

O前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。测量噪声系数一般采用噪声源和加上噪声系数自动测试

即

N0 -T0 F=C B k

() 2

式中，为输入端在所有频率上均为 2 0 N0 9 K时输出 端总资用噪声功率( )是 w;为玻尔兹曼常数是 .8=13×1一/;为网络的噪声带宽 ( z;为网 0 W HzB H )G络的噪声增益； F为网络的噪声系数。

仪进行自动测量，此种仪器测量准确度最高；或者采用比如 Y因子法、d 3B法等手动测量法来测量。频

2频谱仪测量射频放大器的噪声系数频谱仪测得的噪声功率对应于包络检波器拾取的噪声电压，相应的噪声功率可由在接收噪声带宽内对噪声密度积分而得，噪声频谱功率密度在噪声带宽内是连续的；当频谱仪输入端接 5Q匹配负载 0时，显示平均噪声电平为P1 T1,=k B () 3

谱仪是主要用于信号频谱测量的仪器设备，当今内置了前置放大器的频谱分析仪，了具有较高的功除率测量准确度外，示平均噪声电平也比较低，显比

如加了内置放大器的 E 4 0 4 4 A频道仪的显示平均噪声电平在 1 H频率为一17B W左右， G z 6dm因此， 在此情况下，频谱仪可以用来测量射频放大器的噪声系数。

式中， 1 P为频谱仪所显示平均噪声电平 (; 1 W) T为频谱仪工作时的机内环境温度； B为频谱仪的等效噪声带宽；为频谱仪的噪声系数。 F 当采用 d m作为功率单位表达式 ( BW此时频谱仪采用对数放大器)则式( ), 3变为：P1 B:1 ( TI +1 ( 0 ) ( ) 0l

k B ) 0l 1 d g g+F d) .1 (一2 5 B () 4

1噪声以及噪声系数的分析射频放大器所产生的噪声为热噪声，不包括任

何离散成分，其电平符合高斯分布。噪声信号发生器(噪声源 )包括气体噪声发生器和固体噪声发生器，其输出在一定的频率范围为均匀分布，也不包括任何离散成分，其电平也符合高斯分布。根据尼奎斯特定理，于标准噪声温度 T0处

式中， 1、频谱仪显示平均噪声电平 P为 (B w)1 g1为将功率单位从 d W转换为 d l;0l(0) m B d lw的系数； s( ) B m F am为频谱仪噪声系数 (B), d;一

(9K) 20的输入端产生的资用噪声为功率为是 0 T B,设网络的资用噪声增益为 G(于线性网络来说资对

25为非 F频谱仪噪声功率测量结果减少量； .1 I

B为中频滤波器的噪声带宽， 其与 R W之间的关 B系如表 1所示。

用噪声增益等于资用信号功率增益 )则仅由输入端，所产生的输出资用噪声功率为 G T B。于是噪声 k0系数可表示为：F=N0 (-T0 /C k B)

根据实际情况，射频放大器的噪声系数测量可以使用以下两种方法：

() 1

方法一为已知待测射频放大器的增益，此时不

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表1滤波器类型

几种 R W滤波器的等效噪声带宽与其 3 B带宽之间的关系 B d应用等效噪声带宽与 R w(d ) B 3 B带宽之比 1 18 o 5 d ) .2 ( .2 B 1 1 10 4 d ) .1 ( .6 B

4一极点同步滤波器大多数频谱仪包括 A in的 8 6 E系列 gl t 53 e 5一极点同步滤波器少量频谱仪

高斯滤波器典型的 H

A in公司 P A系列和 R公司的 F Q系列 get l S&S sH频谱分析仪

10402d ) .6( . B 710 ( . 1B .50 2 d )

注意：用频谱仪测量噪声系数时，必须知道频谱仪 R W滤波器的类型， B再根据表 1出其等效噪声带宽 B与其 R W之间的关系； B得 B R W为频谱仪的实际值，而不是仪器说明书给出值。

需要外部噪声源就可以测量出射频放大器的噪声系数；方法二为待测射频放大器的增益未知，但是有一个已知超噪比的噪声源。此种方法在测量出射频放大器噪声系数时，也

可以同时测量出射频放大器的 增益。下面对两种测量方法分别进行讨论。3 1测量方法一的测试步骤和噪声系数的计算公 .式

频放大器内部环境温度。

频谱仪测得的噪声功率 P为： 2

P= T BG F卜 l I)1 2 2 L ( 2(一l(一 1 ) +(一1 k B ) TI

l/ )

转换为 d mW表示为： B P ( ) 0l[ T B GL 1 I 2d=1 k 2 F(一 B g I 1) (一 /1 0 I)1 (一一1 ) )+(

步骤 1频谱分析仪输人口接上 50匹配负载，: 0

频谱分析仪内部环境温度为 T】K)频谱仪的输入 (,衰减器衰减量置于 0B频谱仪噪声系数为 d,,此时频谱仪的显示平均噪声电平的表达式如式 () 4所示， 从式 () 4中我们可以计算出频谱仪的噪声系数为：F A d) S (=PI B一2 .9 0l( TI ( ) B ( ) 7 4—1 k B ) 5 d g

k 1 ] 0 (0) 2 5 T B )+1 1一 .1 () 6可以得到射频放大器噪声系数 F为：(一 1 ) r一(一 I I)1 I AI) L 1 r (一I1 G s×

() 8

如果射频放大器的增益已知，根据式 ( ) 8和式

根据 ( ) 0l s, d=1 FA得到 B g1 P田l。 0 ()1/。 S A一 1 279 T1 0 . k B 4一

12 4 T B 12志T1+1 ( ) 0.9 2 0 79 B。] 9 7k J一

1 P()￣ 0 2￣/ , 1

1 )l 0 m￣/ P O

, (、 o,

将噪声系数转换为 d B表示：F(:1 g 1 ()0㈣。l[ 02/ P, 1￣1 ￣/o 0 m ) P l一

步骤 2在不改变频谱仪参数 (:输入衰减器值， 分辨率带宽 R W) B的前提下，去掉频谱仪输入端的

+1]

匹配负载，接上待测射频放大器，射频放大器输入端接匹配负载，射频放大器接通电源。此时频谱仪测得的噪声功率由两部分组成，一部分为射频放大器输出的噪声功率，另一部分就是频谱仪机内所产生的噪声功率；射频放大器输出至频谱仪的输入噪声功率需要考虑到射频放大器输出口的反射以及频谱仪输入口的反射影响。 射频放大器输入到频谱仪的噪声功率为：P, T2 GL 1 =k B F(一I(一眦 A 1 )

+1 g

01[

] 1 G - 0l L g( 0 1)

式(0中， ( ) 1 ) F d为射频放大器的噪声系数， B单位为d B。

32测量方法二的测试步骤和噪声系数计算公式 .如果有一台超噪比已知的噪声源，了可以测出除

射频放大器的噪声系数外，还可以测出其放大倍数。步骤 1和步骤 2方法一中的步骤 1和步骤 2同。与相 I (一I )1 I) /() 7

步骤 3在不改变频谱参数 (:输入衰减器值，分辨率带宽 R w) B的前提下，去掉匹配负载，频谱仪的 输入口与射频放大器的输出口相接，射频放大器输入口接上一个已知超噪比为 N的噪声源，射频放大

式中，为输入到频谱仪的噪声功率； F为待测射频放大器噪声系数；为射频放大器增益； G L为连接电缆衰减； 射系数； 为待测射频放大器输出口反为频谱仪输入口的反射系数； 2 T为射

器加电进入正常工作状态。此时频谱仪测得的噪声功率仍由二部分功率组成，一部分为来自射频放大

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