芯耀
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现在噪声系数（NF）测量仪器的普及使得噪声系数测量变得相当容易，但这并不意味着不再需要理解噪声测试的相关原理。如果测试人员对影响测量的误差源没有深入理解，那么即使实现拥有噪声测量仪，也无法提升测试质量。
一、什么是Y因子
图1展示了用于噪声系数测量的Y因子法简化框图。
图1. 噪声系数测量Y因子法的简化框图
Y因子法将两个具有已知等效温度（热态温度Th和冷态温度Tc的不同噪声电平施加到被测设备（DUT）的输入端，并测量相应的输出噪声功率Nh和Nc。Y因子定义为Nh与Nc的比值：
公式1：
被测设备（DUT）的噪声温度Te,可通过以下公式计算：
公式2：
这里的关键概念是，Y因子法需要的是Nh与Nc的比值，而非它们的绝对值。这意味着测量设备的构建无需依赖经过校准的功率计。噪声系数测量仪器通常使用精密可变衰减器（图1）来替代校准功率计。
二、测量Y因子
基本操作步骤如下：
1. 连接冷噪声源，将衰减因子设置为1。
2. 测量输出噪声电平。
3. 连接热噪声源。
4. 逐渐增大衰减因子，直至功率计显示与冷源测量时相同的读数。
5. 从该测量中获得的衰减因子即等于Nh/Nc的比值，换句话说，衰减因子实际上就是Y因子。
对噪声系数分析仪操作原理的基本理解，有时能帮助我们更好地掌握实现精确测量的技巧。
三、噪声源不确定性
进行噪声系数测量时，需要一个输出噪声电平经过校准的噪声源（如图2所示）。噪声源的噪声电平通过其超噪比（ENR，Excess Noise Ratio）来表征。噪声系数测量仪器利用噪声源的ENR值计算被测设备（DUT）的噪声系数。
制造商提供的噪声源ENR（超噪比）不确定性是测量不确定度的来源之一。ENR的不确定度通常在0.1至0.2dB范围内，这种不确定度会直接导致噪声系数（NF）测量不确定度，通常几乎是“dB by dB”的影响。例如，若ENR测量不确定度为0.3dB，噪声系数测量不确定度也会是0.3dB。
需要注意的是，ENR测量是在噪声源工作频率范围内的多个离散频率点（如10或20个频率点）进行的。然而，由于设计良好的噪声源的ENR随频率变化缓慢，测量设备能够在校准点之间对噪声源性能进行插值，而不会引入显著误差。
四、选择噪声源：低ENRvs高ENR
商用噪声源最常见的ENR值为5dB、6dB和15dB。那么，对于给定的测量，合适的标称ENR是多少？需注意，ENR是表征噪声源热态与冷态噪声电平差异的指标。
使用低ENR的优势：
- 在热态测量时，测量设备处理的噪声电平较小。这有两个好处：首先，除非被测设备（DUT）增益非常大，否则测量设备更可能保持在线性工作区域；其次，测量仪器使用的内部衰减因子较小，因此其自身的噪声系数影响也较小。因此，低ENR噪声源可最大限度减少仪器非线性和噪声系数带来的误差。
低ENR的局限性：
- 当DUT的噪声系数较高时，不能使用低ENR噪声源。这是因为：若DUT的噪声系数相对噪声源的ENR过大，输出噪声主要来自DUT本身，导致热态和冷态测量的输出噪声几乎相同（Nh≈Nc），Y因子趋近于1。此时，公式2的分母趋近于零，Y因子的微小误差会导致等效噪声温度Te的测量误差显著增大。
推荐原则：
- 选择ENR比DUT噪声系数低10dB的噪声源。
- 6dB ENR噪声源适用于噪声系数不超过约16dB的DUT；
- 15dB ENR噪声源适用于噪声系数高达约25dB的测量。
五、通过衰减器降低失配不确定度
一般来说，射频信号链中不同端口的阻抗失配会导致功率传输不确定度，这是噪声系数测量中的重要误差源。衰减器可以抑制失配不确定度，因此自然会产生一个问题：能否使用衰减器来降低噪声系数测量的不确定度？
为回答这一问题，可参考图中所示的Y因子法测量步骤示意图，其中在DUT前后添加了衰减器。
图3. 添加衰减器的Y因子测量配置
尽管衰减器可以改善端口的有效回波损耗并降低失配不确定度，但它们也会衰减目标信号并引入噪声。因此，若不进行完整分析，无法评估衰减器是否能提高整体测量精度。
图4显示了对于噪声系数为3dB的被测设备（DUT），在不同增益值下添加衰减器对其噪声系数测量不确定度的影响。
图4. 噪声系数不确定度随增益变化的关系
如预期所示，通过在输入端添加衰减器（输入pad），阻抗失配和测量不确定度得以降低。但在此示例中，添加输出端衰减器（输出pad）并未减少测量不确定度，这是因为输出衰减器会降低“噪声测量接收机”的有效噪声系数。下面我们来分析如何考虑衰减器损耗的影响。
六、被测设备（DUT）前端的损耗
为了实现噪声系数的精确测量，必须对DUT前端的任何损耗进行修正。DUT前端损耗的来源包括：
- 电缆衰减；
- 噪声源连接器与DUT不兼容时，插入测量环路的适配器损耗。
在校准步骤中，噪声源直接连接到测量设备，这会自动将测量参考平面设定在噪声源的输出端（图5）。校准步骤用于确定接收机的噪声温度TReceiver。
图5. Y因子法的校准步骤。
添加了DUT前端衰减器的测量步骤框图如图6所示。
图6. Y因子法的测量步骤。
根据上述框图，衰减器和被测设备（DUT）构成两级级联系统。假设测量得到该两级系统的噪声温度为T1，根据Friis方程，我们有：
公式3：
在公式3中，Tatten和Gatten分别为衰减器的噪声温度和增益。有耗网络的增益小于1。
对于衰减器，我们可以将损耗因子定义为其增益的倒数，即L1=1/Gatten。此处，L1为线性值（非dB值），且其值大于1。此外，物理温度为TL、损耗因子为L1的衰减器，其噪声温度为Tatten =?(L1-1)TL。因此，我们有：
公式4：
我们可以很容易地用噪声因子值来表示上述方程：
公式5：
考虑衰减器处于标准温度T0=290K的特殊情况具有指导意义。我们来看一个例子：
示例：TL=T0?的特殊情况
假设被测设备（DUT）前端的衰减器处于物理温T0，损耗因子为L1=1.5)（即增益Gatten=0.667）。若噪声系数测试仪测得级联系统的复合噪声系数为7dB，求DUT的实际噪声系数。
当损耗为L的无源衰减器的物理温度为T0=290K时，其噪声因子F=L（即其噪声系数的dB值等于损耗的dB值）。将Fatten=L1代入公式5可得：
公式6：
或者等效地：
公式7：
损耗因子L1=1.5的衰减器的噪声系数为NFatten=1.76dB。因此，我们有：
公式8：
NFDUT=7-1.76=5.24dB
七、潜在的噪声系数误差
在上述分析中，通过从复合噪声系数NFatten中减去衰减器噪声系数NF1来确定被测设备（DUT）的噪声系数。但若NFatten与NFDUT数值相近，且 NFatten的测量不确定度较大时，该方法可能导致显著误差。
示例：假设NFDUT实际值为2dB，复合噪声系数NF1为4dB，衰减器实际噪声系数NFatten为2dB。若因测量不确定度，测得NFatten为2.5dB，则计算得到的NFDUT=4-2.5=1.5dB ，测量误差达25%。 此外需注意，衰减器的损耗可能随频率变化。此时，应使用目标频率下的损耗数据修正损耗影响。
八、被测设备（DUT）后端的损耗
由于校准步骤将测量参考平面设定在噪声源输出端（图5），我们可将DUT后端的组件纳入校准环路，以修正其损耗影响。这会将DUT后端的所有损耗自动归入测量设备的噪声系数中，如图7所示。
图7. 带入DUT后端损耗的噪声系数测试配置
在图7中，位于DUT后端的组件B也被纳入校准步骤。然而，组件A无法纳入校准步骤，其损耗需按前所述单独修正。
若DUT后端的损耗组件无法纳入校准环路，则必须针对该特定损耗修正测量结果。图8的框图展示了一种测量场景：DUT与测量设备之间存在有耗组件。在此假设该有耗组件无法纳入校准环路。
图8. DUT与测量接收机之间存在有耗组件的噪声系数测量
利用上述框图，我们可以推导出将衰减器影响归入测量设备噪声系数的公式。应用Friis方程，测量仪器的修正后噪声温度为：
公式9：
如前所述，我们有Gatten=1/L2和Tatten=(L2-1)TL?，其中TL为衰减器的物理温度。将这些值代入可得测量设备的修正后噪声温度：
公式10：
需要注意的是，TReceiver是通过校准步骤获得的。测量步骤还能得出被测设备（DUT）与衰减器的级联合成增益G1=GDUT/L2，因此DUT的实际增益为GDUT=G1L2。
现在，我们可以定义Tcas为包含DUT、衰减器和测量设备的整个级联系统的噪声温度。利用Tcas、修正后的接收机噪声温度TReciever,cor和GDUT，即可求出DUT的噪声温度。
九、关于被测设备（DUT）前后端的损耗
最后需要注意的是，如果测量中DUT的前端和后端均存在损耗，则需要通过更复杂的分析来修正损耗带来的误差。
希望本文能让你对噪声系数测量及Y因子法的应用有更深入的理解。使用可变衰减器替代校准功率计可降低测试设备成本。无论采用何种噪声功率测量方法，始终需要考虑噪声源的不确定性和夹具损耗——这些因素都会给噪声系数测量引入误差。
总结
现代自动化噪声系数测量虽简化了操作流程，但对误差源的深入理解仍是确保测量精度的关键。本文通过分析Y因子法原理、噪声源特性、ENR选择、衰减器应用及损耗修正等核心要素，揭示了噪声系数测量中系统性误差的来源与控制方法。合理选择噪声源ENR、优化衰减器配置、修正前后端损耗，是提升测量可靠性的必要手段。唯有在自动化技术与理论认知的协同下，才能实现噪声系数测量的高效性与准确性。
