基于步进衰减器法的噪声系数分析仪噪声系数校准的一种方法

万一彬 滕玉龙 黄玉珲 / 上海市计量测试技术研究院；上海市在线检测与控制技术重点实验室

0 引言

噪声系数分析仪是以频谱分析仪为基础的一种专用噪声系数测试仪器，在无线通信和雷达微波中广泛使用，其噪声系数测量值的准确与否关系到微波器件乃至系统的性能指标是否达到其设计要求。为此，国家出台了JJF 1460-2014《噪声系数分析仪校准规范》[1]。该校准规范对统一噪声系数分析仪的校准方法，实现噪声系统测量值的量值统一起到了很大的作用。规范中6.4.1的步进衰减器法明确提出需配置标准器微波信号源1台、步进衰减器1台、隔离器2台。具体连接见图1所示。

图1 步进衰减器校准噪声系数连接

具体的技术指标如下：

1）微波信号源

频率范围：0.01 ～ 40 GHz；频率准确度：1×10-7；输出功率范围：-70～+7 dBm；输出功率平坦度：±0.1 dB/10 MHz。

2）步进衰减器

频率范围：0.01～ 40 GHz；最大衰减：≥ 60 dB；衰减步进：1 dB；衰减不确定度：0.05 ～ 0.1 dB，k = 2。

3）隔离器

频率 ：1 GHz；隔离度 ：＞20 dB ；电压驻波比 ：＜1.2。

经过分析，隔离器主要作用通常是吸收反射回来的微波信号，以免烧毁信号发生器或者放大器，此技术指标用隔离度来表示。隔离器的另外一个作用则是改善放大器或者信号发生器输出端口失配问题，利用其隔离信号的特点，减少驻波系数较大的器件所引入的反射信号，降低失配对测量结果的影响。

通过以上分析得知，在JJF 1460—2014中，隔离器的作用主要是降低端口失配对校准结果的影响。因此，在无隔离器的微波实验室中，可以采用在步进衰减器两端增加2台固定衰减器，让器件衰减量大于一定数值以达到降低失配的效果。由于隔离器频带窄、固定衰减器的频带范围宽，端口的驻波系数比较好，完全可以采用加固定衰减器以达到比隔离器更好的效果[2-3]。

1 采用增加固定衰减器后的噪声系数的校准方法及步骤

1.1 校准连接

校准连接如图2所示。

图2 固定衰减器校准噪声系数的连接

1.2 校准所用标准器[4-6]

1）矢量信号源。频率范围：250 kHz～ 40 GHz；频率准确度：1×10-7；输出功率：-110～+20 dBm；输出功率平坦度 ：±0.1 dB/10 MHz。

2）步进衰减器。频率范围：0～18 GHz；最大衰减：≥ 11 dB ；衰减步进 ：1 dB。

3）同轴精密固定衰减器。数量：2个；频率范围：0～18 GHz；衰减量：10 dB，电压驻波比：≤1.1。

4）网络分析仪。频率范围 ：9 kHz～ 3 GHz；传输系数幅值测量最大允许误差为±0.01 dB。

1.3 校准方法和操作[7]

1）首先通过式（1）计算出步进衰减器衰减值改变后的噪声系数标准值

式中：E —— 被测噪声系数分析仪的噪声系数标准值（NFs），dB ；

C —— 噪声源超噪比（ENR）设定值，一般取 15 dB ；

A —— 衰减器衰减量值，dB

2）噪声系数的校准

由于校准步骤与JJF 1460—2014相同，这里不再赘述，仅给出其计算公式

式中：P0—— 步进衰减器在0 dB档位，被校噪声系数分析仪噪声功率测量值，dB；

Pi—— 被校噪声系数分析仪噪声功率测量值，dB

2 噪声系数校准不确定度评定[8]

2.1 测量模型

采取直接测量法，其中的标准噪声系数的测量模型与式（1）相同

当衰减器的衰减值A为1.00 dB，计算得到c = -4.862

当衰减器的衰减值A 为11.00 dB时，计算得到c = -1.086

2.2 不确定度分量评定

1）步进衰减器衰减值不准确引入的不确定度ux1

根据步进衰减器的溯源证书，其在1 GHz频点，衰减值为 1.00 dB 时，U = 0.04 dB（k = 2），

则 ux11= 0.02 dB ；

其在1 GHz频点，衰减值为11.00 dB时，

U = 0.04 dB（k = 2），则 ux12= 0.02 dB

2）固定衰减器1输出端与步进衰减器输入端之间失配引入的不确定度分量ux2

用式（5）来计算其失配最大误差

固定衰减器输出端驻波系数为1.10，则

步进衰减器输入端驻波系数为1.10，则

得到

为反正弦分布，因此，k = 2

3）步进衰减器的输出端与固定衰减器2输入端之间失配引入的不确定度分量ux3

用式（5）来计算其失配最大误差

步进衰减器输出端驻波系数为1.10，则

固定衰减器输入端驻波系数为1.10，则

得到

为反正弦分布，因此，k = 2

4）测量重复性引入的不确定度分量u3

以重复性测量条件10次测量噪声系数分析仪在1 GHz频点处的噪声系数，衰减值为1.00 dB时，用贝塞尔公式计算得到单次噪声系数测量值的实验标准偏差

s(y) = 0.008 3 dB，即 ux41= 0.008 3 dB

以重复性测量条件10次测量噪声系数分析仪在1 GHz频点处的噪声系数，衰减值为11.00 dB时，用贝塞尔公式计算得到单次测量值的实验标准偏差

2.3合成标准不确定度

噪声系数测量不确定度各分量见表3。

表3 噪声系数测量不确定度汇总

各分量互不相关，得到：

当衰减器的衰减值A的值为1.00 dB，计算得到

当衰减器的衰减值A 为11.00 dB时，计算得到

2.4 扩展不确定度

包含因子取k= 2，扩展不确定度：

衰减器的衰减值A的值为1.00 dB，计算得到

衰减器的衰减值A 为11.00 dB时，计算得到

3 校准结果比较

相同噪声系数分析仪送至中国计量科学研究院进行校准，得到校准结果，这里用加衰减器的方法得到校准结果，两个校准结果的比较见表3。选取式（1）噪声系数测量值与式（2）噪声系数标准值，计算得到相对应的误差e：

表3 本实验室与中国计量科学研究院的校准结果比较

4 结语

本文给出了一种在实验室缺少隔离器时噪声系数分析仪噪声系数的校准方法，经与中国计量科学研究院的校准结果比较，确实可行。这一实验给校准时实验室仪器配置提供了新思路，对于实验室内已有标准器的应用提供了新的途径，也为后续进一步开展噪声系数校准在频域上的拓展打下了良好的实验基础。