圖 38. 使用低噪聲接收機(jī)測(cè)量噪聲系數(shù)和電子校準(zhǔn)件校準(zhǔn)常規(guī) S 參數(shù)的矢量噪聲校準(zhǔn)步驟

 

為了確定接收機(jī)的噪聲參數(shù)，在 S 參數(shù)測(cè)試中用到的電子校準(zhǔn)件也可以作為阻抗調(diào)諧器使用，用于測(cè)量在不同源阻抗條件下接收機(jī)的噪聲功率。因?yàn)樵谶@個(gè)電子校準(zhǔn)件和噪聲接收機(jī)之間的損耗比較小，它被當(dāng)成接收機(jī)的源牽引 (而不是用作阻抗調(diào)諧器) 來(lái)使用，這樣可以產(chǎn)生比較高的反射系數(shù)，并且更好地對(duì)噪聲參數(shù)進(jìn)行表征。

 

圖 39 顯示了用低噪聲接收機(jī)測(cè)量矢量校準(zhǔn)放大器、同時(shí)用機(jī)械校準(zhǔn)套件測(cè)量 S 參數(shù)部分的校準(zhǔn)步驟。這個(gè)過(guò)程和前一幅圖中所描述的情形相類(lèi)似，這里主要的差別是接收機(jī)噪聲功率與源匹配的關(guān)系是在第二步 (把電子校準(zhǔn)件配置成調(diào)諧器) 和第三步 (使用機(jī)械校準(zhǔn)件的開(kāi)路，短路和負(fù)載件) 中測(cè)量的。在接收機(jī)噪聲功率的測(cè)量結(jié)果中增加機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)據(jù)，可以給出更多的數(shù)據(jù)，從而獲得更高測(cè)量精度的 "超定" 測(cè)量辦法。

 

圖 39. 使用低噪聲接收機(jī)測(cè)量噪聲系數(shù)和機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件校準(zhǔn)常規(guī) S 參數(shù)的矢量噪聲校準(zhǔn)步驟

 

標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)的噪聲校準(zhǔn)

 

當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)而不是低噪聲接收機(jī)測(cè)量噪聲系數(shù)時(shí)，校準(zhǔn)過(guò)程會(huì)有兩個(gè)改變。第一個(gè)改變是不需要使用噪聲源來(lái)表征由接收機(jī)所產(chǎn)生的噪聲。當(dāng)表征低噪聲接收機(jī)時(shí)，使用一個(gè)噪聲源可以提供接收機(jī)的增益-帶寬值，這是在計(jì)算噪聲功率所帶來(lái)的額外噪聲時(shí)所必須知道的數(shù)據(jù)。但是當(dāng)接收機(jī)的噪聲系數(shù)比噪聲源所產(chǎn)生的噪聲大得多時(shí)——使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)測(cè)量噪聲系數(shù)就是這種情況，這種方法就行不通了。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)把接收機(jī)的增益和帶寬分開(kāi)測(cè)量來(lái)解決，然后再用數(shù)學(xué)方法計(jì)算出增益-帶寬值。在測(cè)量增益時(shí)，為了能夠?qū)邮諜C(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)使之可以精確地測(cè)量正弦波信號(hào)的功率，需要把一個(gè)功率計(jì)當(dāng)做絕對(duì)功率參考使用。通過(guò)窄帶頻率掃描可以確定中頻濾波器的幅度響應(yīng)，然后再對(duì)這個(gè)幅度響應(yīng)進(jìn)行積分就可以計(jì)算接收機(jī)的有效噪聲帶寬，也就完成了接收機(jī)的噪聲帶寬測(cè)量。因?yàn)樵跍y(cè)量噪聲功率時(shí)使用了零中頻混頻，所以在校準(zhǔn)過(guò)程中會(huì)在儀器的顯示屏上出現(xiàn)雙峰值的響應(yīng)特征，如圖 40 所示。

 

圖 40. 在校準(zhǔn)過(guò)程中測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)的有效噪聲帶寬

 

當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)測(cè)量噪聲系數(shù)時(shí)，校準(zhǔn)過(guò)程中的第二個(gè)變化是只需要進(jìn)行一次增益測(cè)量即可，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)接收機(jī)內(nèi)部的混頻器之前沒(méi)有可切換的放大器。

 

標(biāo)量噪聲校準(zhǔn)技術(shù)

 

當(dāng)進(jìn)行標(biāo)量噪聲校準(zhǔn)時(shí)，因?yàn)榻?jīng)過(guò)標(biāo)量校準(zhǔn)的測(cè)量是在假設(shè)有一個(gè)理想的 50 Ω 源匹配的條件下進(jìn)行，所以對(duì)當(dāng)成阻抗調(diào)諧器使用的電子校準(zhǔn)件的阻抗?fàn)顟B(tài)測(cè)量就被忽略了。然而，為了在第二級(jí)噪聲校正的過(guò)程中可以做得更為精確，用于測(cè)量噪聲功率的接收機(jī)源牽引測(cè)量仍然會(huì)執(zhí)行。如果是使用電子校準(zhǔn)件對(duì) S 參數(shù)測(cè)量進(jìn)行校準(zhǔn)，那么這個(gè)電子校準(zhǔn)件也可以用于源牽引測(cè)量。如果測(cè)量 S 參數(shù)使用的是機(jī)械校準(zhǔn)套件，那么機(jī)械校準(zhǔn)套件的開(kāi)路標(biāo)準(zhǔn)件、短路標(biāo)準(zhǔn)件和負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)件也能夠用于源牽引測(cè)量。為了求解測(cè)量接收機(jī)的噪聲參數(shù)至少需要知道 4 種阻抗?fàn)顟B(tài)的測(cè)量結(jié)果，因此在做直通校準(zhǔn)時(shí)也多做了一步測(cè)量，把測(cè)試系統(tǒng)原始的源匹配當(dāng)作額外的阻抗標(biāo)準(zhǔn)來(lái)使用。源匹配原始數(shù)據(jù)的復(fù)數(shù)值是 S 參數(shù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的一部分。

 

測(cè)量變頻器時(shí)的校準(zhǔn)

 

當(dāng)測(cè)量變頻器時(shí)，在校準(zhǔn)過(guò)程的開(kāi)始階段還要額外增加一步操作，把一個(gè)功率計(jì)連接在測(cè)試端口 1 上。這一步操作是對(duì)激勵(lì)源的功率進(jìn)行校準(zhǔn)，調(diào)節(jié)源功率隨頻率的變化。這個(gè)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的功率隨后會(huì)用在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)的校準(zhǔn)上，使之能夠進(jìn)行絕對(duì)功率測(cè)量，這對(duì)于測(cè)量變頻器的變頻增益 (或損耗) 是非常必要的。這個(gè)功率校準(zhǔn)方法與標(biāo)量混頻器/變頻器 (SMC) 測(cè)量所用的方法相同。

 

晶圓上校準(zhǔn)

 

使用低噪聲接收機(jī)用矢量校準(zhǔn)的方法進(jìn)行晶圓上測(cè)量時(shí)，有兩種方法進(jìn)行校準(zhǔn)。因?yàn)樵肼曉吹耐S連接器不能連接到晶圓探頭端上，這兩種校準(zhǔn)方法都無(wú)法讓噪聲源處在被測(cè)器件的測(cè)量平面上。在下面的兩個(gè)實(shí)例中，我們會(huì)介紹在校準(zhǔn)過(guò)程中如何連接噪聲源；在使用標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)和同軸功率計(jì)進(jìn)行晶圓上測(cè)量，或通過(guò)連接一個(gè)功率計(jì)進(jìn)行變頻器測(cè)量時(shí)，可以采用同軸校準(zhǔn)和晶圓上校準(zhǔn)這兩種方法的組合。

 

在圖 41 所示的實(shí)例中，首先通過(guò)一個(gè)陰頭－陰頭 (f-f ) 適配器把噪聲源直接連接到 PNA-X 的測(cè)試端口 2 上，在噪聲表征完成之后進(jìn)行第二步操作，在適配器平面上進(jìn)行 1 端口校準(zhǔn)，這樣就建立了一個(gè)噪聲校準(zhǔn)的基準(zhǔn)面。第三步是把 PNA-X 的端口 2 和晶圓探頭用電纜連接起來(lái)，讓陰頭-陰頭適配器保持在原位。在完成了晶圓上雙端口校準(zhǔn)之后，使用嵌入算法 (在后面會(huì)提到) 就可以用數(shù)學(xué)方法把噪聲校準(zhǔn)基準(zhǔn)面延伸到雙端口校準(zhǔn)平面上。這種校準(zhǔn)方法可以把噪聲源和測(cè)試端口 2 之間的損耗降至最低，因此可以獲得 PNA-X 內(nèi)部低噪聲接收機(jī)的最佳校準(zhǔn)結(jié)果。

 

41. 晶圓上噪聲校準(zhǔn)。實(shí)例 1: 直接把噪聲源連接到 PNA-X 的前面板上

 

在圖 42 的實(shí)例中，噪聲源連接在用于把晶圓探頭和分析儀相連接的電纜的一端，而不是直接與分析儀的測(cè)試端口 2 相連。這種連接方法對(duì)于在測(cè)量當(dāng)中擺放 PNA-X 的位置來(lái)說(shuō)是很方便的，特別是在進(jìn)行晶圓上測(cè)量時(shí)，PNA-X 通常安裝在測(cè)試機(jī)架里，放在晶圓探頭臺(tái)的后面，這讓用戶很難接觸到 PNA-X。在這種連接方式中，仍然需要使用一個(gè)陰頭-陰頭適配器把噪聲源與測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行連接，并且在完成了噪聲參數(shù)表征之后，對(duì)陰頭-陰頭適配器進(jìn)行單端口校準(zhǔn)，這樣就能建立一個(gè)噪聲校準(zhǔn)基準(zhǔn)面。與前面實(shí)例中介紹的適配器在完成單端口校準(zhǔn)后保留在原位不同，此時(shí)必須要把適配器移除才能把電纜與晶圓探頭相連接。然而，即便是已經(jīng)移除了這個(gè)陰頭-陰頭適配器，嵌入算法仍然能夠把噪聲校準(zhǔn)基準(zhǔn)面延伸到雙端口校準(zhǔn)基準(zhǔn)面上。

 

圖 42. 晶圓上噪聲校準(zhǔn)。實(shí)例 2: 把噪聲源連接到同軸測(cè)試電纜的一端

 

噪聲校準(zhǔn)平面的推移

 

為了更好地理解前面兩個(gè)校準(zhǔn)方法實(shí)例，特別是為什么在移除陰頭-陰頭適配器的情況下還能夠把噪聲校準(zhǔn)平面延伸到晶圓探頭端上，我們?cè)谶@里探討一下如何把校準(zhǔn)平面從一個(gè)平面移到另一個(gè)平面。以圖 43 為例，Cal 1 是在使用陰頭-陰頭適配器 ([TA]) 的條件下進(jìn)行的，Cal 2 是在使用晶圓探頭 ([TB]) 的條件下進(jìn)行的。對(duì) Cal 2 來(lái)說(shuō)，晶圓探頭也是另一種形式的適配器。注意，無(wú)論是哪種情況，測(cè)試電纜和 VNA 的特征 [Tsys] 都是一致的，它是測(cè)試端口電纜和 VNA 的 T 參數(shù)組合。我們?cè)谶@里使用從 S 參數(shù)推導(dǎo)出的 T 參數(shù)，因?yàn)樵谟?jì)算級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)時(shí)能夠非常簡(jiǎn)單。例如，兩個(gè)級(jí)聯(lián) T 參數(shù)網(wǎng)絡(luò)可以很容易地相乘。

 

為了從校準(zhǔn)平面 1 (Cal 1) 推移到校準(zhǔn)平面 2 (Cal 2)，我們需要計(jì)算一個(gè)虛擬適配器的 T 參數(shù)，記為 [T?]。這個(gè)虛擬適配器可以表示為:

 

圖 43. 在適配器之間移動(dòng)校準(zhǔn)平面

 

在實(shí)際測(cè)量中要考慮的因素

 

環(huán)境溫度設(shè)置

 

當(dāng)設(shè)置噪聲系數(shù)測(cè)量時(shí)，需要知道測(cè)試系統(tǒng)的環(huán)境溫度以便計(jì)算出正確的輸入噪聲功率。在 "噪聲系數(shù)設(shè)置" 對(duì)話框 (圖 26) 中輸入的溫度值應(yīng)表示所有從校準(zhǔn)平面到 PNA-X 方向上的元器件的平均溫度，包括在儀器測(cè)試端口后面的元器件的溫度。一個(gè)測(cè)試開(kāi)始時(shí)非常適用的值就是環(huán)境溫度，通常是 298 K，也可以使用一個(gè)精密溫度計(jì)來(lái)測(cè)量這個(gè)溫度。雖然電子校準(zhǔn)件的內(nèi)部溫度被加熱到 304 K，但是電子校準(zhǔn)件和被測(cè)器件之間的損耗一般會(huì)抵消器件溫度超過(guò)環(huán)境溫度所帶來(lái)的影響。儀器工作時(shí)也可能會(huì)產(chǎn)生一些加熱的效果，因此 299 K 或 300 K 是比較準(zhǔn)確的估計(jì)值。注意，把溫度設(shè)為 298 K 和設(shè)為 300 K 的區(qū)別大概只有 0.7%，這相當(dāng)于在噪聲系數(shù)測(cè)量結(jié)果中只有 0.03 dB 的差異。

 

在使用噪聲源進(jìn)行校準(zhǔn)的過(guò)程中，在校準(zhǔn)向?qū)Ы缑嫔嫌幸粋€(gè)輸入對(duì)話框，您可以在這里指定噪聲源的實(shí)際溫度。由于噪聲源始終是在加電的狀態(tài)下與 PNA-X 連接，因此它的溫度通常要比環(huán)境溫度高出幾 K。

 

噪聲平均

 

當(dāng)使用 PNA-X 測(cè)量噪聲系數(shù)時(shí)，噪聲平均是一個(gè)重要的測(cè)量條件。當(dāng)在測(cè)量過(guò)程中不使用噪聲平均時(shí) (等同于把求平均值操作次數(shù)設(shè)為 1)，為了估算噪聲接收機(jī)能夠測(cè)量到的平均噪聲功率，在每一次噪聲功率測(cè)量中，儀器內(nèi)部仍然有很多的模數(shù)轉(zhuǎn)換 (ADC) 樣本。ADC 樣本的數(shù)量是任意的，PNA-X 在用低噪聲接收機(jī)時(shí)大約會(huì)使用 1 萬(wàn)個(gè)樣本。當(dāng)啟用噪聲平均功能時(shí)，儀器需要處理的數(shù)據(jù)就是用平均值乘以 ADC 采樣數(shù)，這樣通過(guò)降低在測(cè)量結(jié)果軌跡上的抖動(dòng)來(lái)給出更好的平均噪聲功率估算值，但是代價(jià)是犧牲一定的測(cè)量速度。在校準(zhǔn)期間我們極為推薦使用噪聲平均功能：使用低噪聲接收機(jī)時(shí)把求平均值操作次數(shù)設(shè)為 10 至 20 次，使用標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)時(shí)把操作次數(shù)設(shè)為 50 至 100 次，這樣可以得到非常純凈的校準(zhǔn)結(jié)果。在對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以把噪聲平均操作的次數(shù)值設(shè)置得略低一些，以便在測(cè)量速度和精度之間取得平衡。通常被測(cè)器件的增益越高，在測(cè)量時(shí)需要做噪聲平均操作的必要性就越低。但是如果在校準(zhǔn)過(guò)程中不啟用噪聲平均功能，那么即便是稍后啟用這項(xiàng)功能，也無(wú)法再去除校準(zhǔn)期間存在的噪聲。

 

當(dāng)用標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)測(cè)量噪聲系數(shù)時(shí)，只有兩個(gè)噪聲帶寬可供選擇－720 kHz 和 1.2 MHz，這與使用低噪聲接受機(jī)進(jìn)行測(cè)量不一樣，后者有 5 種設(shè)置可供選擇，頻率覆蓋從 0.8 到 24 MHz 的范圍。噪聲帶寬越小，意味著測(cè)量結(jié)果中會(huì)有越多的抖動(dòng)，這就需要更多的噪聲平均操作。

 

測(cè)量一個(gè)直通件的噪聲系數(shù)

 

圖 44 顯示了使用低噪聲接收機(jī)對(duì)一個(gè) PNA-X 直通件的噪聲系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，在默認(rèn)噪聲帶寬為 4 MHz 的情況下分別用 4 種不同的噪聲平均操作次數(shù)值所得到的結(jié)果比較。用冷源法進(jìn)行這種測(cè)量是非常困難的，因?yàn)楸粶y(cè)器件是個(gè)直通件，它不能產(chǎn)生增益也不能產(chǎn)生過(guò)多的噪聲，這樣就不能給噪聲接收機(jī)輸入一個(gè)超噪聲，這也意味著第二級(jí)噪聲校正算法是用相同的平均功率減去兩個(gè)噪聲比較大的信號(hào)。當(dāng) PNA-X 不啟用噪聲平均功能時(shí)，噪聲系數(shù)測(cè)量的速度非常快，測(cè)得的平均值也是預(yù)期的 0 dB，但抖動(dòng) (軌跡噪聲) 是相當(dāng)高的。把噪聲平均操作的次數(shù)增加到 10 次就會(huì)使抖動(dòng)明顯地降低，測(cè)量精度也相應(yīng)有很大的改善。如果把平均的次數(shù)提高到 20 次，效果甚至更明顯。相比之下，進(jìn)行 40 次平均所取得的改善就不是特別明顯了。因此使用低噪聲接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，取 10 到 20 次的平均操作可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量速度和精度之間的良好平衡，特別是在噪聲系數(shù)校準(zhǔn)的過(guò)程中，這種程度的平均操作是非常必要的 (當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)時(shí)，取平均的次數(shù)要增加到 50 到 100 次)。需要注意的是，如果用同樣的平均次數(shù)測(cè)量有增益的器件的噪聲系數(shù)，所得到的結(jié)果中的抖動(dòng)會(huì)比測(cè)量直通件時(shí)的抖動(dòng)小得多。

 

圖 44. 測(cè)量一個(gè)直通件的噪聲系數(shù), 用不同的噪聲平均次數(shù)值

 

圖 45 是分別用 NFA (Y 因子法) 和 PNA-X (使用冷源法和低噪聲接收機(jī)) 對(duì)同一個(gè)直通件進(jìn)行噪聲系數(shù)測(cè)量，在測(cè)量時(shí)間大概相等的情況下對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。PNA-X 的 20 次噪聲平均可以得到近似于 NFA 的積分時(shí)間。從測(cè)量結(jié)果中可以看到，兩種測(cè)量結(jié)果的抖動(dòng)是大致相同的。但是 PNA-X 的平均值要比 NFA 更接近預(yù)期的值 0 dB，這是因?yàn)?PNA-X 能夠更精確地測(cè)量被測(cè)器件的增益 (在本例中被測(cè)器件的增益為 0 dB)。

 

圖 45. 使用 PNA-X 的低噪聲接收機(jī)和 NFA 分別測(cè)量直通件的噪聲系數(shù)

 

測(cè)量一個(gè)放大器的噪聲系數(shù)

 

圖 46 顯示了使用低噪聲接收機(jī)對(duì)一個(gè)增益在 15 至 20 dB 的放大器進(jìn)行三次噪聲系數(shù)測(cè)量，分別用不同的噪聲平均次數(shù)。請(qǐng)注意在這個(gè)實(shí)例中，儀器的刻度是每格 0.2 dB，而在上一個(gè)測(cè)量直通件的實(shí)例中，儀器的刻度是每格 2 dB。當(dāng)取 10 到 20 次平均時(shí)，測(cè)量結(jié)果中的抖動(dòng)是極小的。

 

圖 46. 使用低噪聲接收機(jī)并用不同的噪聲平均次數(shù)來(lái)測(cè)量一個(gè)放大器的噪聲系數(shù)

 

測(cè)量低增益或大損耗器件

 

PNA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量低噪聲系數(shù)和低增益器件的能力非常強(qiáng)。為說(shuō)明這一點(diǎn)，圖 47 顯示了對(duì)一個(gè)沒(méi)有增益和超噪聲的器件 (40 dB 衰減器) 進(jìn)行噪聲系數(shù)測(cè)量。如果用 Y 因子法測(cè)量這個(gè)器件的噪聲系數(shù)將是非常困難的，因?yàn)樵肼曉丛诶錈釥顟B(tài)下的差異會(huì)被衰減器衰減為一個(gè)極小的值。這個(gè)例子只是為了證明冷源法的有效性，在實(shí)際工作中不需要測(cè)量衰減器的噪聲系數(shù)，因?yàn)樗p器的噪聲系數(shù)始終等于它的損耗值。注意，下圖中對(duì)數(shù)格式的噪聲系數(shù)是 S21 的鏡像，這表明測(cè)量結(jié)果是正確的，因?yàn)樗p器的噪聲系數(shù)始終為正值且 S21 的對(duì)數(shù)幅度總是負(fù)值。S21 和噪聲系數(shù)測(cè)量結(jié)果之間的基準(zhǔn)電平是彼此的負(fù)數(shù)值，這樣我們就可以把兩條測(cè)量軌跡放在一起進(jìn)行比較。同時(shí)，為了使抖動(dòng)達(dá)到一個(gè)可以接受的水平，在測(cè)量時(shí)做了 50 次噪聲平均。

 

圖 47. 40 dB 衰減器的噪聲系數(shù)測(cè)量

 

優(yōu)化 S 參數(shù)功率電平

 

因?yàn)樵肼曄禂?shù)測(cè)量通常是針對(duì)高增益放大器或變頻器，所以在噪聲系數(shù)測(cè)量的過(guò)程中，進(jìn)行 S 參數(shù)或變頻增益測(cè)量時(shí)的端口功率都比較低。可以做兩件事情來(lái)改善受到端口功率影響的測(cè)量精度。第一個(gè)是斷開(kāi)端口之間功率的耦合關(guān)系，把 PNA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀和被測(cè)器件輸出端口相連接的那個(gè)端口上的功率設(shè)置得高一些，這是因?yàn)榫_地測(cè)量被測(cè)器件的 S22 對(duì)第二級(jí)噪聲校正是有必要的，因此需要把端口的功率電平設(shè)置得高一些，以確保進(jìn)行反射測(cè)量時(shí)得到良好的 SNR。對(duì)大部分器件來(lái)說(shuō)，即便是輸入功率必須很低時(shí)，反向功率仍然可以設(shè)置得相當(dāng)高而不會(huì)導(dǎo)致任何損壞。通常，在測(cè)量噪聲系數(shù)而對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行正向驅(qū)動(dòng)時(shí)，反向端口的功率設(shè)置成比被測(cè)器件的輸出功率小 5 dB。

 

第二個(gè)是在校準(zhǔn)過(guò)程中提高端口 1 的功率，然后對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行測(cè)量時(shí)再把這個(gè)功率降低。這意味著要把端口 1 的源衰減器設(shè)置得盡可能小，但同時(shí)還要保證端口功率可以下降到測(cè)量所需要的水平。使用比較小的衰減值意味著在校準(zhǔn)過(guò)程中可以把端口功率設(shè)置得更高，給出更好的 SNR 從而減少軌跡噪聲。

 

在使用標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)和外接前置放大器測(cè)量噪聲系數(shù)時(shí)，設(shè)置測(cè)量和校準(zhǔn)時(shí)的功率電平必須把前置放大器增益考慮在內(nèi)，以避免測(cè)量接收機(jī)被壓縮。如果把測(cè)試端口上的耦合器反接，那么與常規(guī)配置相比，發(fā)送給接收機(jī)的功率至少要高 15 dB，在這種情況下必須要謹(jǐn)慎地避免接收機(jī)壓縮。通常情況下，為了避免標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)產(chǎn)生壓縮，測(cè)試端口在采用常規(guī)跳線配置時(shí)的功率應(yīng)設(shè)置在 +10 dBm 以下，而在端口耦合器反向接時(shí)，功率應(yīng)設(shè)置在 -5 dBm 以下。

 

在校準(zhǔn)時(shí)優(yōu)化功率傳感器的功率電平

 

當(dāng)測(cè)量一個(gè)變頻器的噪聲系數(shù)或用標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)測(cè)量噪聲系數(shù)時(shí)，在校準(zhǔn)過(guò)程中需要使用功率傳感器對(duì) PNA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀 接收機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)。圖 48 顯示了在校準(zhǔn)過(guò)程中可以單獨(dú)設(shè)置所用到的功率電平，與 S 參數(shù)校準(zhǔn)和測(cè)量時(shí)的通道功率無(wú)關(guān)。為了獲得最高的測(cè)量精度，功率傳感器的功率電平應(yīng)當(dāng)與進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)的功率電平一致－通常是 0 dBm，這樣會(huì)把功率傳感器的線性度誤差從總體測(cè)量不確定性中去除。PNA-X 接收機(jī)的線性度要比功率傳感器的還要明顯，因此接收機(jī)可以在較高的功率上進(jìn)行校準(zhǔn)，即便是用較低的功率進(jìn)行測(cè)量也能夠保證極高的測(cè)量精度。根據(jù)源衰減的值以及測(cè)量頻率范圍的不同，在校準(zhǔn)過(guò)程中可能難以達(dá)到 0 dBm。在這種情況下，只要保證不要讓激勵(lì)源到了無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)電平控制的地步，應(yīng)該把功率設(shè)置得盡可能地高。

 

當(dāng)測(cè)量增益特別大的器件而需要把源衰減的值設(shè)置得很大時(shí) (或者是為了把測(cè)量功率設(shè)置得足夠低來(lái)避免被測(cè)器件被壓縮)，最大可用功率可能低于功率傳感器的測(cè)量范圍，這會(huì)導(dǎo)致功率校準(zhǔn)失敗。在這種情況下，可以把源衰減器的值設(shè)置得小一點(diǎn)，這樣在校準(zhǔn)時(shí)就會(huì)有更大的功率，而在測(cè)量噪聲系數(shù)時(shí)可以把一個(gè)外部衰減器接到被測(cè)器件的輸入端。這個(gè)衰減器對(duì)噪聲系數(shù)測(cè)量結(jié)果的影響可以通過(guò)把它的 S 參數(shù)進(jìn)行去嵌入而消除，S 參數(shù)必須在測(cè)量之前單獨(dú)地測(cè)量。

 

圖 48. 當(dāng)使用功率計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí), 功率電平可以獨(dú)立于通道功率進(jìn)行優(yōu)化

 

壓縮和損壞電平

 

就像 S 參數(shù)測(cè)量一樣，在測(cè)量噪聲系數(shù)時(shí)確保噪聲接收機(jī)不被壓縮也是很重要的。在使用 PNA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀 的低噪聲接收機(jī)時(shí)更要注意這一點(diǎn)，因?yàn)榈驮肼暯邮諜C(jī)的增益要比標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)的增益高得多。在考慮噪聲測(cè)量中的壓縮時(shí)，必須要把被測(cè)器件的增益和帶寬兩個(gè)因素都考慮進(jìn)去。當(dāng)被測(cè)器件的增益或帶寬提高時(shí)，輸出的噪聲功率也跟著提高。當(dāng)用低噪聲接收機(jī)測(cè)量寬帶器件時(shí)，前端放大器最有可能先產(chǎn)生壓縮；當(dāng)測(cè)量窄帶器件時(shí)，接收機(jī)后端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 很可能在前端產(chǎn)生壓縮之前就已經(jīng)超過(guò)了其工作范圍。 PNA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀 的低噪聲接收機(jī)在前端有幾個(gè)用來(lái)檢測(cè)壓縮的二極管檢波器。如果儀器的前端產(chǎn)生過(guò)載或者 ADC 超出了工作范圍，儀器固化軟件就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)告警信息。如果告警信息在測(cè)量過(guò)程中只是閃現(xiàn)了一下，這可能是由干擾造成的 (參見(jiàn)下一節(jié)內(nèi)容)，如果告警信息一直存在，那么噪聲接收機(jī)或被測(cè)器件的增益就必須降低。注意，在校準(zhǔn)之后改變接收機(jī)的增益值不會(huì)使測(cè)量結(jié)果無(wú)效，這是因?yàn)樵谛?zhǔn)過(guò)程中接收機(jī)的全部三個(gè)增益設(shè)置都已經(jīng)過(guò)了測(cè)量。如果接收機(jī)的增益設(shè)置已經(jīng)很小了，那么可以有兩種選擇來(lái)解決問(wèn)題：在被測(cè)器件的輸出端口連接一個(gè)衰減器 (這不會(huì)影響被測(cè)器件的噪聲系數(shù)測(cè)量) 或者改用標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量。如果使用了衰減器，它的影響可以用去嵌入的方法去除掉，這樣測(cè)得的被測(cè)器件 S21 就是正確的。使用標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)時(shí)，由于它沒(méi)有前端放大器，因此噪聲所產(chǎn)生的壓縮不會(huì)引起問(wèn)題。然而，如果把測(cè)試端口上的耦合器反接，那么與標(biāo)準(zhǔn)配置相比，發(fā)送給接收機(jī)的功率至少提高 15 dB，因此在進(jìn)行 S 參數(shù)測(cè)量時(shí)仍然要謹(jǐn)慎地避免接收機(jī)壓縮。

 

在測(cè)量混頻器或變頻器時(shí)，被測(cè)器件的輸出端口需要進(jìn)行額外的過(guò)濾，以消除本振饋通或其他雜散信號(hào)的影響，否則也有可能造成壓縮現(xiàn)象。

 

噪聲系數(shù)不確定性計(jì)算器是檢查壓縮現(xiàn)象的一個(gè)實(shí)用工具。它從噪聲系數(shù)的測(cè)量結(jié)果中讀取數(shù)據(jù)，并且顯示測(cè)得的噪聲功率距離接收機(jī)的本底噪聲有多遠(yuǎn)以及產(chǎn)生壓縮的量，如圖 49 所示。

 

圖 49. Keysight PNA-X 噪聲系數(shù)不確定度計(jì)算器顯示了被測(cè)器件的噪聲功率是否導(dǎo)致噪聲接收機(jī)產(chǎn)生壓縮

 

當(dāng)使用低噪聲接收機(jī)時(shí)，PNA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀 的端口 2 的損壞電平會(huì)從 +30 dBm 下降到 +25 dBm。這種損壞電平的降低是由噪聲接收機(jī)內(nèi)部的 LNA 造成的，它比標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)中的混頻器對(duì)測(cè)量信號(hào)更敏感。

 

干擾

 

當(dāng)測(cè)量沒(méi)有屏蔽的被測(cè)器件的噪聲系數(shù)時(shí)，例如印刷電路板上的放大器，來(lái)自蜂窩電話/ 移動(dòng)手機(jī)、無(wú)線局域網(wǎng)路由器或客戶端、其他無(wú)線電信號(hào)的電磁干擾經(jīng)常會(huì)影響到被測(cè)器件的測(cè)量結(jié)果。這些干擾表現(xiàn)出來(lái)的特征是測(cè)量結(jié)果中出現(xiàn)非重復(fù)性的尖峰值，如圖 50 所示。通常這種干擾只會(huì)對(duì)同一個(gè)頻率上的噪聲測(cè)量結(jié)果帶來(lái)不利影響。然而，如果干擾過(guò)大并且一直出現(xiàn)，它會(huì)導(dǎo)致噪聲接收機(jī)產(chǎn)生壓縮現(xiàn)象，從而會(huì)使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。如果出現(xiàn)這種情況，解決辦法之一是盡可能地把PNA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀 內(nèi)部接收機(jī)的增益降低。當(dāng)然最好的方法還是在一個(gè)屏蔽比較好的環(huán)境內(nèi) (例如在屏蔽室中) 測(cè)量噪聲系數(shù)。

 

圖 50. 電磁干擾對(duì)噪聲系數(shù)測(cè)量的影響通常表現(xiàn)為測(cè)量軌跡上出現(xiàn)大的尖峰

 

 

推薦閱讀：