什么是网络分析仪噪声参数？

        噪声参数在被测器件的输入端口和测试仪器内置噪声接收机的输入端口上都会产生影响。要想了解为什么噪声参数会给测量结果带来误差，我们首先需要了解什么是噪声参数。放大器的噪声参数描述了噪声系数随着源阻抗Γs而变化的情况。在史密斯圆图上，噪声参数通常被绘制为恒定噪声系数圆(图1)。一组给定的噪声系数圆是在某一个频率上有效的。对任何一种放大器，不论是独立的放大器还是嵌入到变频器前端的放大器，在达到某个最优阻抗时就会出现一个最小噪声系数，我们把这个最优阻抗叫做gamma-opt(Γopt)。源阻抗偏离最优阻抗越远，放大器的噪声系数就会越大。放大器的噪声参数与晶体管内偏置电流和工作频率都有关。

　　图1.噪声参数被绘制为恒定噪声系数圆

　　噪声系数效应和源阻抗可以通过噪声参数的数学公式来表示:

　　从这个公式中可以看到噪声因子F是随着源阻抗Γs而变化的。除了Z0(50Ω系统基准阻抗)之外，还有三个被称作噪声参数的常数(两个标量常数，一个矢量常数)。这四个噪声参数是:Fmin(最小噪声因子)、Γopt-magnitude、Γopt-phase(对应于Fmin的最优源阻抗)和Rn(噪声电阻，这是一个灵敏度参数，控制当源阻抗偏离Γopt时噪声系数的降级速度)。恒定噪声圆是由公式中的那些包含Γs在内的绝对值平方项决定的。

　　噪声的相关性

　　为了解为什么网络分析仪的噪声系数会随着输入匹配而变化，我们需要仔细看一下放大器上有噪声的双端口模型。一个有噪声的双端口网络会有两个噪声来源:一个是和输入端口有关的，另一个是和输出端口有关的。从数学的角度看，噪声发生器可以表示为电流源或电压源，或者是两者的组合。图2下方显示了噪声分析最常用的模型，因为它把噪声发生器与理想的增益模块分隔开来，并把噪声发生器置入放大器的输入端口，这会让人们更容易地理解源匹配与两个噪声发生器的交互作用。通常情况下这两个噪声源是彼此独立的，但是它们之间也会因为放大器在物理和电气方面的特征而表现出一定的相关性。

　　图2.双端口噪声模型

　　理解两个噪声源之间的相关性对于很好地理解噪声参数是至关重要的。

　　在图3中，如果两个噪声源是完全相关的话，那么它们的瞬时(电压或电流)波形的差值就是比例因数(增益);如果它们是完全不相关的，那么每个波形就会是真正的随机波形，而且彼此毫不相关。对于真实世界中的放大器来说，两个噪声源之间相关的量介于完全相关和完全不相关这两种极端情况之间，这是因为与输入端口和输出端口有关的噪声发生器在放大器中共享有源电路。这些物理噪声发生器会向正反两个方向发出噪声(这有助于产生相关性)，但是在每个方向上的幅度和相位的变化将会是不一样的(这有助于产生非相关性)。例如，晶体管会在一个方向上产生增益，而在另外一个方向上则会产生损耗。如果在这两个噪声源之间存在一定的相关性的话，那么就会有某个源阻抗值能够提供导致最大噪声抵消效果所需的幅度和相位偏移(Γopt)，这个源阻抗值会产生最小的噪声系数。

　　图3.噪声的相关性

　　噪声参数的概念直接关系到我们精确测量50Ω噪声系数的能力。

　　当测试系统的源阻抗在50Ω附近变化时，Γs就会在靠近史密斯圆图中心的几个噪声圆之间变来变去，所测得的被测器件噪声系数也会随之改变。图4显示了一个15 dB ENR噪声源在不加电状态下的输入匹配，虽然它的中心是在50Ω上，但是它的反射系数很明显是随着频率的变化而改变的。如果不对VNA的源匹配进行校准，情况会更糟糕，考虑到VNA更为复杂的组成结构，这一点也就不会令人吃惊了。因为放大器的噪声系数是随着源阻抗而变化的，人们可以看出传统的噪声系数测量系统为什么会因为不理想的源匹配而产生非常明显的测量误差。这种效果所产生的影响显示在测量结果上就是会出现很多的纹波，这些纹波很难与因为失配误差所造成的纹波分辨开来。源匹配的变化越大，在噪声系数测量结果中引入的误差也就越大。

　　图4.噪声源和VNA的源匹配

　　噪声参数的影响对Y因子法和冷源法都是存在的。在用Y因子法进行测量所得到的结果中，即便是在把噪声源直接与被测器件进行连接的情况下，由噪声参数所引起的误差照样存在，只不过是如果噪声源的匹配很好的话，通常这种误差会比较小而已。不过在多数情况下这种误差会很明显，这要取决于在测量中所使用的是哪一种噪声源以及在什么频率上进行测量。如果在噪声源和被测器件之间增添其他的元器件，即便是对这些元器件引起的损耗进行了补偿，也会出现更大的测量误差。

　　当使用VNA用冷源法进行测量时，如果不采用衰减器或源校正技术的话，那么系统原始的源匹配通常也是比较差的。使用PNA-X独特的矢量源校正方法，实际得到的源匹配非常理想，这样被测器件或PNA-X内置噪声接收机的噪声参数对测量结果造成的不确定性就会很小。

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