什么是網絡分析儀噪聲參數？

        噪聲參數在被測器件的輸入端口和測試儀器內置噪聲接收機的輸入端口上都會產生影響。要想了解為什么噪聲參數會給測量結果帶來誤差，我們首先需要了解什么是噪聲參數。放大器的噪聲參數描述了噪聲系數隨著源阻抗Γs而變化的情況。在史密斯圓圖上，噪聲參數通常被繪制為恒定噪聲系數圓(圖1)。一組給定的噪聲系數圓是在某一個頻率上有效的。對任何一種放大器，不論是獨立的放大器還是嵌入到變頻器前端的放大器，在達到某個最優阻抗時就會出現一個最小噪聲系數，我們把這個最優阻抗叫做gamma-opt(Γopt)。源阻抗偏離最優阻抗越遠，放大器的噪聲系數就會越大。放大器的噪聲參數與晶體管內偏置電流和工作頻率都有關。

　　圖1.噪聲參數被繪制為恒定噪聲系數圓

　　噪聲系數效應和源阻抗可以通過噪聲參數的數學公式來表示:

　　從這個公式中可以看到噪聲因子F是隨著源阻抗Γs而變化的。除了Z0(50Ω系統基準阻抗)之外，還有三個被稱作噪聲參數的常數(兩個標量常數，一個矢量常數)。這四個噪聲參數是:Fmin(最小噪聲因子)、Γopt-magnitude、Γopt-phase(對應于Fmin的最優源阻抗)和Rn(噪聲電阻，這是一個靈敏度參數，控制當源阻抗偏離Γopt時噪聲系數的降級速度)。恒定噪聲圓是由公式中的那些包含Γs在內的絕對值平方項決定的。

　　噪聲的相關性

　　為了解為什么網絡分析儀的噪聲系數會隨著輸入匹配而變化，我們需要仔細看一下放大器上有噪聲的雙端口模型。一個有噪聲的雙端口網絡會有兩個噪聲來源:一個是和輸入端口有關的，另一個是和輸出端口有關的。從數學的角度看，噪聲發生器可以表示為電流源或電壓源，或者是兩者的組合。圖2下方顯示了噪聲分析最常用的模型，因為它把噪聲發生器與理想的增益模塊分隔開來，并把噪聲發生器置入放大器的輸入端口，這會讓人們更容易地理解源匹配與兩個噪聲發生器的交互作用。通常情況下這兩個噪聲源是彼此獨立的，但是它們之間也會因為放大器在物理和電氣方面的特征而表現出一定的相關性。

　　圖2.雙端口噪聲模型

　　理解兩個噪聲源之間的相關性對于很好地理解噪聲參數是至關重要的。

　　在圖3中，如果兩個噪聲源是完全相關的話，那么它們的瞬時(電壓或電流)波形的差值就是比例因數(增益);如果它們是完全不相關的，那么每個波形就會是真正的隨機波形，而且彼此毫不相關。對于真實世界中的放大器來說，兩個噪聲源之間相關的量介于完全相關和完全不相關這兩種極端情況之間，這是因為與輸入端口和輸出端口有關的噪聲發生器在放大器中共享有源電路。這些物理噪聲發生器會向正反兩個方向發出噪聲(這有助于產生相關性)，但是在每個方向上的幅度和相位的變化將會是不一樣的(這有助于產生非相關性)。例如，晶體管會在一個方向上產生增益，而在另外一個方向上則會產生損耗。如果在這兩個噪聲源之間存在一定的相關性的話，那么就會有某個源阻抗值能夠提供導致最大噪聲抵消效果所需的幅度和相位偏移(Γopt)，這個源阻抗值會產生最小的噪聲系數。

　　圖3.噪聲的相關性

　　噪聲參數的概念直接關系到我們精確測量50Ω噪聲系數的能力。

　　當測試系統的源阻抗在50Ω附近變化時，Γs就會在靠近史密斯圓圖中心的幾個噪聲圓之間變來變去，所測得的被測器件噪聲系數也會隨之改變。圖4顯示了一個15 dB ENR噪聲源在不加電狀態下的輸入匹配，雖然它的中心是在50Ω上，但是它的反射系數很明顯是隨著頻率的變化而改變的。如果不對VNA的源匹配進行校準，情況會更糟糕，考慮到VNA更為復雜的組成結構，這一點也就不會令人吃驚了。因為放大器的噪聲系數是隨著源阻抗而變化的，人們可以看出傳統的噪聲系數測量系統為什么會因為不理想的源匹配而產生非常明顯的測量誤差。這種效果所產生的影響顯示在測量結果上就是會出現很多的紋波，這些紋波很難與因為失配誤差所造成的紋波分辨開來。源匹配的變化越大，在噪聲系數測量結果中引入的誤差也就越大。

　　圖4.噪聲源和VNA的源匹配

　　噪聲參數的影響對Y因子法和冷源法都是存在的。在用Y因子法進行測量所得到的結果中，即便是在把噪聲源直接與被測器件進行連接的情況下，由噪聲參數所引起的誤差照樣存在，只不過是如果噪聲源的匹配很好的話，通常這種誤差會比較小而已。不過在多數情況下這種誤差會很明顯，這要取決于在測量中所使用的是哪一種噪聲源以及在什么頻率上進行測量。如果在噪聲源和被測器件之間增添其他的元器件，即便是對這些元器件引起的損耗進行了補償，也會出現更大的測量誤差。

　　當使用VNA用冷源法進行測量時，如果不采用衰減器或源校正技術的話，那么系統原始的源匹配通常也是比較差的。使用PNA-X獨特的矢量源校正方法，實際得到的源匹配非常理想，這樣被測器件或PNA-X內置噪聲接收機的噪聲參數對測量結果造成的不確定性就會很小。

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