СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2015

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 86 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2015 Основы измерения коэффициента шума в радиочастотном и микроволновом диапазонах Часть 2 В статье разбираются основные понятия, которые используются при измерении и вычислении шумовых характеристик радиоэлектронных устройств и их компонентов. Во второй части статьи делается акцент на методах и инструментах для измерения коэффициента шума. Максим Соковишин, Keysight Technologies И ЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ШУМА Линейность мощности шума В основе большинства измерений коэффициента шума лежит фунда- ментальная характеристика линейных двухпортовых устройств – линейная зависимость мощности шума на выходе устройства от мощности шума на вхо- де, или шумовой температуры источ- ника. При импедансе источника с тем- пературой абсолютного нуля выходная мощность шума состоит исключитель- но из мощности N a , добавленной тести- руемым устройством. Для других тем- ператур источника выходная мощ- ность шума складывается из теплового шума от источника, усиленного в соот- ветствии с коэффициентом передачи тестируемого устройства. Если угол наклона прямой (см. рис. 5) и опорная точка известны, можно найти выход- ную мощность, соответствующую величине N a . Зная N a , можно вычис- лить коэффициент шума, или эффек- тивнуюшумовую температуру на вхо- де (см. первую часть статьи). Чтобы получить линейную зависимость при измерениях коэффициента шума, схе- му автоматической регулировки усиле- ния нужно отключить. Источники шума Один из способов определения угла наклона графика шума заключается в подаче на тестируемое устройство двух различных уровней входного шума и замерах изменения выходной мощности. Источник шума представ- ляет собой устройство, которое может выдать эти два заранее известных уров- ня шума. Наиболее популярный источ- ник шума состоит из специального дио- да с малой ёмкостью, который генери- рует шум, будучи обратно смещённым в область лавинного пробоя напряже- нием постоянного тока. Прецизионные источники шума, такие как Keysight SNS (см. рис. 6), имеют выходной аттеню- атор, обеспечивающий низкий КСВ для уменьшения ошибок рассогласо- вания при измерениях. Если имеется разница импедансов во включённом и выключенном состоянии, может поя- виться ошибка в измерении коэффи- циента шума. Для минимизации этого эффекта источник шума N4000A обе- спечивает большее ослабление. Когда диод смещён, уровень шума на выходе больше величины kT с B – из-за лавин- ного режима генерации шума в дио- де. Когда диод не смещён, на выходе присутствует тепловой шум, создавае- мый в аттенюаторе, равный kT с B. Эти уровни шума называют Hot («горя- чий») и Cold («холодный») и обознача- ют как T h и T c соответственно. Источ- ник шума N4001A создаёт уровни шума, приблизительно эквивалентные темпе- ратуре 10 000 K во включённом состо- янии и 290 K в выключенном. Компа- ния Keysight поставляет диодные источ- ники шума в диапазонах до 50 ГГц. Для измерения коэффициента шума источник шума должен иметь калибро- ванный уровень выходного шума, пред- ставленный избыточным коэффици- ентом шума (Excess Noise Ratio, ENR). Калибровочная информация ENR для источника шума поставляется произ- водителем. В случае приборов серии SNS она хранится во внутреннем элек- трически перепрограммируемом ПЗУ. Другие источники шума поставляются с данными, содержащимися на диске- те или в виде твёрдой копии. Коэффициент ENR db , выраженный в децибелах (дБ), равен отношению (T h – T c ) / T o , где T o = 290 K. Следует отме- тить, что источник шума с ENR, рав- ным 0 дБ, создаёт разницу темпера- туры в 290 K между включённым (On) и выключенным (Off) состояниями. Вопреки распространённому мнению, ENR не отражает уровень шума в состо- янии On относительно kTB. . (3.1) Предполагается, что когда калибров- ка выполнена, температура T c в урав- нении (3.1) равна 290 K. Когда источ- ник шума используется при различных физических температурах, в результа- ты измерений должна вноситься ком- пенсационная поправка. Источник шума серии SNS имеет температурный датчик, информация с которого может считываться анализатором NFA компа- нии Keysight. Источники шума могут быть отка- либрованы по переносному эталон- ному источнику шума (в соответствии со стандартом NSTL) или по первично- му физическому эталону, такому как «горячая/холодная» нагрузка. Боль- шинство источников шума снабжа- ются информацией об ENR в зависи- мости от частот. Рис. 5. Зависимость выходной мощности шума линейных двухпортовых устройств от температуры источника Рис. 6. Источник шума серии SNS © СТА-ПРЕСС