网络分析仪中的噪声参数解析

在网络分析仪的应用中，噪声参数是一个关键概念，它直接影响着测量结果的准确性。噪声参数主要描述了放大器的噪声性能如何随着源阻抗（Γs）的变化而变化。在射频和微波工程中，这些参数通常以恒定噪声系数圆的形式展示在史密斯圆图上（如图1所示）。每组噪声系数圆适用于特定的频率点。对于任何类型的放大器，无论是独立的还是集成在转换器前端的，当达到某一最优阻抗时，会观察到最小噪声系数，这一最优阻抗称为Γopt。源阻抗与Γopt的偏差越大，放大器的噪声系数也就越高。此外，放大器的噪声特性还受到晶体管内部偏置电流和工作频率的影响。

图1. 噪声参数在史密斯圆图上的表示

噪声系数的变化可以通过数学公式来表达，该公式揭示了噪声因子F如何随源阻抗Γs变化。除了标准的50Ω系统阻抗外，还有三个关键的噪声参数：最小噪声因子Fmin、最优源阻抗Γopt的幅度和相位，以及噪声电阻Rn。Rn决定了当源阻抗偏离Γopt时，噪声系数恶化的速率。这些参数共同定义了恒定噪声系数圆。

噪声的相关性

为了理解网络分析仪噪声系数随输入匹配变化的原因，需要深入了解带有噪声的双端口模型。在这样的模型中，噪声来源于输入端口和输出端口。数学上，噪声源可以表示为电流源、电压源或两者结合。图2展示了常用的噪声分析模型，该模型将噪声源与理想的增益单元分离，并将其置于放大器的输入端，从而简化了源匹配与噪声源相互作用的理解。通常，这两个噪声源是独立的，但它们之间也存在一定程度的相关性，这是由于它们在物理和电气特性上的关联。

图2. 双端口噪声模型

理解噪声源之间的相关性对于掌握噪声参数至关重要。如图3所示，当两个噪声源完全相关时，它们的瞬时波形差异仅由一个比例因子决定；若完全不相关，则各波形独立且随机。实际上，大多数放大器的噪声源处于这两者之间，因为输入端和输出端的噪声发生器共享相同的有源电路，既产生相关性又表现出非相关性。例如，晶体管可能在一个方向上提供增益，而在另一个方向上产生损耗。这种相关性意味着存在一个特定的源阻抗值（Γopt），可以在该点实现最大的噪声抵消，从而获得最低的噪声系数。

图3. 噪声源的相关性示例

噪声参数的概念与我们在50Ω系统中准确测量噪声系数的能力紧密相关。当测试系统的源阻抗在50Ω附近波动时，源阻抗的变化会导致测量到的噪声系数有所不同。图4展示了15 dB ENR噪声源在关闭状态下的输入匹配情况，尽管其中心位于50Ω，但反射系数随频率变化显著。未经校准的VNA源匹配问题更加严重，考虑到VNA的复杂性，这是可以预见的。由于放大器的噪声系数受源阻抗的影响，传统噪声系数测量系统因此容易因不理想的源匹配而产生明显误差，这些误差在测量结果中表现为波动，难以与失配误差区分开来。源匹配的变化越大，引入的误差也就越大。

图4. 噪声源与VNA的源匹配关系

无论是使用Y因子法还是冷源法，噪声参数的影响始终存在。即使在直接连接噪声源与被测设备的情况下，Y因子法测量结果中仍可能存在由噪声参数引起的误差，尽管良好的噪声源匹配可以减少这种误差。然而，在大多数情况下，这种误差仍然显著，具体取决于使用的噪声源类型及测量频率。如果在噪声源与被测设备之间添加其他组件，即使考虑到了这些组件带来的损耗，测量误差也可能增大。

当使用VNA进行冷源法测量时，如果没有采取衰减器或源校正技术，系统原始的源匹配通常较差。利用PNA-X提供的矢量源校正功能，可以获得非常理想的源匹配，从而显著降低被测设备或VNA内置噪声接收机的噪声参数对测量结果的影响。