浅析多通道接收单元噪声系数的测试

浅析多通道接收单元噪声系数的测试之前一个朋友要测试低噪声放大器(LNA)的噪声系数，但是声称遇到一些麻烦。LNA噪声系数的测试采用Y因子法非常简便，校准完成后直接连接待测件即可测试，可操作性非常强。麻烦在哪里呢？原来待测件是一个含有四个通道的接收模块，每个通道只含有一个LNA，然后经过合路器合为一路输出，如图1所示。按理说，逐一测试每一通道的噪声系数还是比较简单的，因为通道中没有变频器件。但是麻烦在于，四路LNA的供电是同一路，如果测试其中一路时，很难做到只给一路而不给其它三路供电。因此，为了方便测试，朋友问能否在四路同时供电的情况下测试每一路的噪声系数。如果这样测试，大体上会带来多大的误差？

图1.四通道接收模块(只包含LNA)四路LNA同时供电的情况下，当然还可以使用Y因子法进行测试，可以得到一个测量结果，但是已不再讲究测试精度。尽管如此，如果要对比只给待测通道供电情况下的测试结果，还是可以通过公式推导一番的。推导过程比较复杂，为了简便起见，作如下假设：(1)四个通道具有相同的增益G和噪声因子F；(2)室温为290K(T0)；(3)合路器通道隔离度良好，及各级器件之间匹配良好。1.首先考虑只给待测通道供电的情况，其它三路不供电，且端接50Ohm匹配负载。不供电的三路也会在合路器输出端贡献一部分噪声，但是相对于待测通道的输出噪声要小很多，所以下面的推导将其忽略。采用Y因子法测试之前需要做噪声系数校准，这是为了得到频谱仪自身的噪声系数，同时校准过程中的中间测量量将用于待测件增益的计算。校准时，将噪声源直接连接于频谱仪，利用噪声源打开和关断两种状态下的测量值，便可以提取出频谱仪的噪声系数。当噪声源分别打开和关闭时，频谱仪在带宽B范围内测得的噪声功率为：NSA,on=kBTon∙GSA+kBTSA∙GSA

NSA,off=kBToff∙GSA∙FSA=kBT0∙GSA∙FSA式中，Ton和Toff分别为噪声源打开和关闭时的等效噪声温度，FSA和TSA分别为频谱仪的噪声因子及等效噪声温度，GSA为频谱仪的通道增益——频谱仪通道经过校准，故可认为其增益为1。噪声系数校准完成后，连接待测件进行测试，当噪声源分别打开和关闭时，频谱仪在带宽B范围内测得的噪声功率为：Nout,on=kBTon∙G∙GSA+kBTe∙G∙GSA+kBTSA∙GSA

Nout,off=kBT0∙G∙F∙GSA+kBTSA∙GSA根据校准及测试过程中测得的噪声功率，便可以确定待测件的增益，公式如下：定义Y因子为在T0温度下，由Y因子及噪声源超噪比ENR便可以计算出待测件与频谱仪总体的噪声系数：NFtotal=ENR-10lg⁡(Y-1)下面考虑另外一种情况，四路LNA同时供电，测试结果将是怎样的。2.如果四路同时供电，测试结果将会怎么样呢？不测试的三路端接50Ohm匹配负载，由于在正常状态下，其在合路器输出端贡献的噪声不能再忽略。噪声系数的校准与前面第一种情况完全相同，此处不再赘述。校准完成后，连接待测件进行测试。当噪声源分别打开和关闭时，频谱仪在带宽B范围内测得的噪声功率为：Nout1,on=kBTon∙G∙GSA+kBTe∙G∙GSA+kBTSA∙GSA+3kBT0∙G∙F∙GSA

Nout1,off=kBTSA∙GSA+4kBT0∙G∙F∙GSA在此过程中计算得到的待测件的增益为经过验证，G1=G。定义Y因子为在T0温度下，由Y因子及噪声源超噪比ENR便可以计算出待测件与频谱仪总体的噪声系数：NFtotal1=ENR-10lg⁡(Y1-1)3.对比分析上述两种情况，评估测试结果差异大小。如果GF>>FSA，则上式可以简化为这意味着第二种情况测得的总噪声系数将比第一种情况高约6dB。总噪声系数是指待测件与频谱仪总体的噪声系数，如果将频谱仪自身的噪声系数修正掉，那么两种情况测得的待测件的噪声系数有多少差异呢？对于两级级联系统，待测件与频谱仪级联后总体的噪声因子为：因NFtotal1比NFtotal高约6dB，故满足如下关系因G1=G，上式进一步化简得F1=4F+(3∙(FSA-1))/G上述公式推导基于假设GF>>FSA，通常LNA的噪声系数在1.5dB~3dB之间，对应的噪声因子为位于1.4~2之间，这意味着如果要满足该假设条件，则要求LNA的增益G>>FSA。这种情况下，可以作如下估计F1≈4F,

NF1≈NF+