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SSA5000Aのノイズフィギュア測定オプションの使用方法

1. はじめに

この記事では、SIGLENT SSA5000Aスペクトラムアナライザのノイズフィギュア解析機能を使用して、効率的かつ高品質なノイズフィギュア測定を行う方法を説明します。

 

1.1 ノイズフィギュアの基礎

1.1.1 ノイズフィギュアの定義

ノイズは、コンポーネントやシステム内で発生する干渉であり、回路の性能を低下させます。ノイズの定量化には、ノイズフィギュア（NF）、ノイズファクター（F）、等価ノイズ温度（Te）の3つの主要なパラメータがあります。

ノイズファクター(F)は、入力の信号対ノイズ比を出力の信号対ノイズ比で割った値として定義されます。

ノイズファクター: F = (Sin/Nin) / (Sout/Nout)

ここで、Sinは入力信号電力、Soutは出力信号電力、Ninは入力ノイズ電力、Noutは出力ノイズ電力です。

ノイズファクターをデシベル(dB)で表したものがノイズフィギュア(NF)です。NF (dB) = 10 * log(F)。

多くの低雑音増幅器(LNA)はノイズフィギュアで表現されますが、ノイズファクターが1 dB未満の場合には通常、等価ノイズ温度(Te)でノイズを特性化します: Te = 290 * (F - 1)。この方程式はノイズフィギュアと温度の関係を示します: NF (dB) = 10 * log(1 + Te / 290)。

 

1.1.2 ノイズフィギュア測定方法

ノイズフィギュアの測定方法には、Yファクター法とコールドソース法の2つの主要な方法があります。本稿ではYファクター法について説明します。

ノイズソースはYファクター法で必要不可欠な機器であり、異なるノイズパワーを生成できるノイズジェネレータです。通常、DCパルス電源ドライブ電圧が必要です。電源が供給されるとノイズソースはオン状態（ホット状態）となり、大きなノイズパワーが出力されます。電源がオフになるとコールド状態となり、室温でのノイズパワーが出力されます。特定のノイズソースについては、ENRの値が周波数に応じて変化します。一般的なノイズソースのENRの公称値は6 dBから15 dBです。ノイズソースを使用して、デバイスの出力ポートで2つのノイズパワー測定結果を得ることができます。この2つの測定結果の比率（Yファクター）を使用してノイズフィギュアを計算します: NF = ENR - 10 * log(Y - 1)。ENRは一般的にノイズソースの仕様で示されています。

 

   
図1-1 NSD28

1.2 アンプの測定

このセクションでは、DC-10 GHzの周波数範囲を持つ低雑音アンプを例に、SSA5000Aのノイズフィギュア解析機能を使用してノイズフィギュアを迅速かつ効果的に測定する方法を示します。

表1-1 DUTの仕様
周波数範囲 ゲイン ノイズフィギュア
DC-10 GHz 26 dB 6 dB
 
1.2.1 キャリブレーション手順

ノイズフィギュアを正確に測定するためには、DUTを測定する前に測定システムをキャリブレーションし、システム固有のノイズフィギュアを識別し補正します。これにより、総ノイズフィギュア測定値から測定器のノイズフィギュアが除去され、DUTのノイズフィギュアとゲインのみが表示されます。

   
図1-2 ノイズフィギュア測定キャリブレーションの接続設定

 

操作手順：

  1. 電源投入後30分間のウォームアップ後、左上のスペクトラムアナライザをクリックしてウィンドウ管理ページに移動し、「Noise Figure (NF) > Noise Figure」をクリックしてノイズフィギュア解析ウィンドウを追加します。この時点でSSA5000Aはノイズフィギュア測定モードで動作します。
  2. ノイズソースを接続：ノイズソースとスペクトラムアナライザを図1-2のキャリブレーション設定に従って接続します。アナライザはUSB接続を介してノイズソースを制御し、ノイズソースの出力をアナライザのRF信号入力端に直接接続します。
  3. 振幅の設定：AMPTDを選択します。ノイズフィギュアモードに入ると、内部プリアンプが自動的にオンになり、入力減衰値は自動モードで0に固定されます。
  4. 周波数の設定：FREQを選択し、開始周波数を10 MHz、終了周波数を10 GHz、スキャンポイント数を11に設定します。
  5. ENRの設定：Meas Setup > ENR > Edit ENRを選択し、ENRテーブルに対応する周波数とENR値を入力します。
  6. ENRテーブルの保存：Meas Setup > ENR > Saveを選択し、入力したENR値を保存し、データが正しく転送されたことを確認します。
 
   
図1-3 ENRテーブル

 

  1. 平均値の設定：Meas Setup > Settingを選択し、平均回数を10に設定しオンに切り替えます。
  2. キャリブレーションの実行：Meas Setup > Cail > Calibrate now > Enterを選択します。
   
図1-4 ノイズフィギュア測定キャリブレーション

 

  1. 表の結果を確認：Trace > Format > Layout > Tableを選択します。キャリブレーションが完了し、DUTが未接続の場合、ゲインとノイズフィギュアは0 dBに近く表示されます。これにより、アナライザが測定システムのノイズ成分を除去していることが示され、表形式のレイアウトモードで結果を確認しやすくなります。
   
図1-5 ノイズフィギュア測定キャリブレーション
 
1.2.2 測定手順

キャリブレーション完了後、ノイズソースをDUTの入力に接続し、DUTの出力をアナライザのRF信号入力ポートに接続します。

   
図1-6 ノイズフィギュア測定の接続設定

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DUTとノイズソースを接続した後、測定結果がアナライザのディスプレイ画面に表示されます。結果として、DUTのノイズフィギュアは6.12 dB、ゲインは26.69 dBと表示されます。したがって、被試験機器は目標周波数範囲でメーカーの仕様を満たしています。

   
図1-7 ノイズフィギュア測定結果
 

 

1.2.3 ゲイン測定法

ゲイン法を使用して測定結果を簡単に確認します。この方法の精度はノイズソースによるYファクター法よりも低く、アナライザの振幅精度に相当します。

DANLは、アナライザが測定できる最小レベルを反映し、アナライザの内部ノイズレベルも示します。アナライザの入力に50Ωの整合負荷を接続するか、直接入力インターフェースをサスペンドさせ、測定されたDANLが-161.92 dBm/Hzであることを確認します。次に、アンプの出力をアナライザの入力に接続し、アンプの入力に50Ωの整合負荷を接続または直接サスペンドさせます。電源供給なしで測定したノイズパワースペクトル密度は-161.97 dBm/Hz、電源供給ありで測定したノイズパワースペクトル密度は-142.05 dBm/Hzです。

操作手順：

  1. FREQを選択し、中心周波数を5 GHz、スパンを10 MHzに設定します。
  2. AMPTDを選択し、減衰を0 dBに設定してプリアンプをオンにします。
  3. BWを選択し、分解能帯域幅を3 MHzに設定します。
  4. Traceを選択し、平均トレースタイプを設定します。
  5. Marker > Marker Functionを選択し、ノイズマーカを設定します。
   
図1-8 アナライザのノイズパワースペクトル密度

 

 

   
図1-9 電源未接続時のノイズパワースペクトル密度

 

 

   
図1-10 電源接続時のノイズパワースペクトル密度

 

 

ノイズフィギュアの対数形式は次の通りです：

NF(dB) = 10 * log F = 10 * log (P_out / (G * k * T_0 * B)) = 10 * log P_out - 10 * log G - 10 * log B - 10 * log k * T_0 

= P_out ((dBm/Hz)) + 174((dBm/Hz)) - Gain(dB) = -142 + 174 - 26 = 6

したがって、ゲイン測定法では、DUTの入力端の物理温度が290Kのときに、DUTのゲインと出力のノイズパワースペクトル密度を取得する必要があります。室温での熱雑音は-174 dBm/Hz（室温でのDANLの理論的な最小値）であり、パワースペクトル密度はアナライザで測定できます。