放大器與變頻器量測：雜訊指數 (NF) 及增益的高精度驗證
產業發展與測試需求的誕生
隨著 5G、衛星通訊 (SatCom) 和雷達系統不斷向高頻段（如 Ka 頻段、毫米波）發展，對射頻前端 (RF Front-End) 元件的性能要求達到了前所未有的高度，在這些高性能應用中，收發機 (Transceiver) 系統的靈敏度與訊號品質，幾乎完全取決於前端元件的表現，特別是放大器 (Amplifiers) 和混頻器 (Mixers)。
- 系統靈敏度：
雜訊指數 (Noise Figure, NF) 是衡量設備靈敏度的黃金標準，NF 越低系統能偵測到的微弱訊號越多。 - 訊號強度與失真：
增益 (Gain) 則決定了訊號被放大的程度，過高的增益可能導致非線性失真，過低的增益則會影響訊號傳輸距離。
測試需求的產生與重要性
由於現代通訊訊號極為微弱（例如衛星訊號經過長距離傳輸後），任何設計上的小瑕疵都會被雜訊放大，因此精確量測 NF 和增益的需求應運而生，並且變得極為關鍵：
- 確保系統靈敏度：
必須準確量測放大器和混頻器的 NF，以確保整體系統的靈敏度符合設計規格。 - 應對極高頻率：
在 Ka 頻段和更高頻率下，元件性能會極度惡化，要求測試儀器能覆蓋到 40 GHz、67 GHz 甚至更高的頻率。 - 消除不確定性：
傳統 NF 量測依賴手動輸入校正參數，容易因溫度變化或輸入錯誤導致量測不確定性 (Measurement Uncertainty) 增加，進而降低產品良率判斷的準確性。
優化方向與效益：透過自動化和智慧化的 NF/增益量測，可以：
- 優化：減少人為錯誤，自動校正溫度和頻率偏差，從而降低量測不確定性。
- 效益：大幅縮短驗證時間，並確保元件性能的真實性，最終提升產品的良率和市場競爭力。
雜訊指數與增益量測方案
方案一：使用頻譜分析儀搭配智慧雜訊源
這是業界最常見且靈活的量測方法，利用 Y 因子法 (Y-Factor Method) 計算雜訊指數；進行 NF 和增益量測時，需要一個具備超額雜訊比 (Excess Noise Ratio, ENR) 的雜訊源，將已知（近似白雜訊）的雜訊注入待測物 (DUT) 的輸入端，Y 因子是 DUT 輸出雜訊功率在有雜訊輸入與無雜訊輸入時的比值，藉此可計算出 DUT 自身貢獻的雜訊（即 NF）和增益。
R&S®FS-SNS 智慧雜訊源消除了傳統 Y 因子法中耗時且易出錯的步驟：
- 消除手動校正：
傳統雜訊源需要手動將 ENR 隨頻率和溫度變化的校正表格輸入到量測軟體中；但 FS-SNS 內建了電子 ENR 表格和環境溫度讀數，自動將這些校正值納入頻譜分析儀的計算中，大幅簡化設置並提高精度。 - 自動化與高精度：
FS-SNS 支援高達 67 GHz 的頻率範圍，並適用於多款 R&S 儀器，包括 R&S®FSW/FSV/FSVA3000 等訊號與頻譜分析儀。當連接到具備 R&S®FSx-K30 NF 量測韌體的分析儀時，儀器會自動載入所有設置參數。 - 量測不確定性自動計算：
FS-SNS 不僅提供 ENR 值，還提供 ENR 不確定性和反射係數表格，使儀器能夠在結果畫面上自動計算並顯示量測不確定性，這是高精度測試中不可或缺的環節。
R&S®FS-SNS 智慧雜訊源：R&S FS-SNS 智慧雜訊源可達 67 GHz，能簡化並精確執行雜訊指數和增益量測。
NF/增益量測結果與不確定性：圖中為 R&S®FSx-K30的雜訊指數和增益量測畫面，除了 NF 曲線和結果表格外，還會顯示自動計算的增益和 Y 因子不確定性。
方案二：使用向量網路分析儀 (VNA) 進行單次連接全參數校驗
對於需要一次性完整特性描述（Characterization）的元件，例如高增益放大器、變頻器或 T/R 模組，R&S®ZNA 向量網路分析儀提供了更全面的解決方案。
- 無雜訊源 NF 量測：
透過 R&S®ZNA-K30 選項，ZNA 無需外部雜訊源，而是直接量測訊號源端和接收端的絕對雜訊功率，從而得出 DUT 輸入和輸出的訊噪比。 - 單次連接完整校驗：
ZNA 的核心優勢是一站式量測，只需將 DUT 連接一次，即可完成所有關鍵參數的量測，包括：- 傳輸參數：增益/損耗 (Gain/Loss)、群延遲 (Group Delay)。
- 雜訊參數：雜訊指數 (NF)。
- 失真參數：壓縮點 (Compression)、交互調變失真 (Intermodulation Distortion, IMD)。
- 優化高增益/低雜訊量測：
針對高增益變頻器，ZNA 提供精細的校準功能，能應對極低激發功率 (Very Low Stimulus Power) 和高量測功率可能導致的不確定性，確保高增益變頻器的量測準確可靠。 - Quickset 智能配置：
ZNA Quickset 對話視窗是強大的輔助工具，它會根據用戶輸入的 DUT 預估參數（例如近似 NF 和增益）以及所需的雜訊指數軌跡雜訊，互動式地引導用戶設置最佳的測試參數（例如量測時間和源功率），並推薦最合適的硬體配置。
ZNA 智能配置介面：圖中為 R&S ZNA Quickset 對話框，可互動式和半自動地為用戶配置最佳測試參數和硬體。
ZNA NF 量測設定：圖中顯示了 ZNA 用於雜訊指數量測配置的直覺化圖形介面，讓使用者對所有相關設置一目瞭然。
總結
精確的雜訊指數 (NF) 和增益量測是確保高頻射頻微波和衛星系統靈敏度與性能的基石，R&S 提供了兩條高效能路徑來解決這個挑戰：
- R&S®FS-SNS 智慧雜訊源：
搭配 FSW/FSV 頻譜分析儀，利用 Y 因子法實現自動化、高準確性的 NF/增益量測，其核心優勢在於自動載入 ENR 和溫度校正，顯著降低了手動操作帶來的量測不確定性，加速了產線和研發測試。 - R&S®ZNA 向量網路分析儀：
透過 ZNA-K30 選項，實現單次連接的完整元件特性描述，涵蓋 NF、增益、IMD 等多項關鍵指標，大幅提升了變頻器和 T/R 模組等複雜元件的驗證效率。
這兩種解決方案讓工程師能夠在從 18 GHz 擴展到 67 GHz 的高頻範圍內，以更高的信心和更短的時間，驗證射頻前端的卓越性能，從而加速新世代通訊產品的上市。
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