JPS5834371A - 雑音指数・利得自動測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、増幅器や変換器等線形２７１？−）回路か
らなるデバイスの雑音指数および利得を自動的にしかも
同時に測定評価する雑音指数。

利得自動測定装置に関する 非常に微弱な信号を取り扱う受イ＝系の感度はその構成
デバイスから発生し系に付加される雑音量で決定的に左
右される。よく知られているように、ある系の雑音指数
は入力端と出力端間での信号対雑音比の劣化の度合を示
すものとして定義され、低レベルの信号処理能力を特徴
づける重要なパラメータであるが、その系を構成するＲ
Ｆ増幅器やミキサ、ＩＦ増幅器などのデバイス性能を規
定するキイノ９ラメータでもある。

一旦、構成デバイスの雑音指数や利得が既知となれば、
受信系の感度は使用帯域幅から容易に算定できる。した
がって雑音指数や利得の精密な測定評価は機器の設計、
製造上極めて有効不可欠な手段を提供するものである。

一般に、雑音指数測定に関して、入力信号源の有能雑音
電力は基準温度Ｔｏ＝２９０Ｋにある抵抗終端のそれと
同一であるとの規定が採用されている。実際の雑音測定
に際しては、被測定系の入力端にノイズダイオードやガ
ス放電管などの標準雑音発生器を接続し、その等価雑音
温度を高（Ｔｔ）、低（’ｒ＋）に切り換えて出力端で
雑音出力比Ｎ＊／Ｎ＋を測定する。雑音指数Ｆは次式か
ら算出される。

ｔｅｌｌ　＝　Ｔ＊／Ｔｏ　　１　、　ｔｅｘｔ　＝Ｔ
＋　／Ｔｏ　　ＩＹ　＝　Ｎ、／Ｎ、は普通Ｙファクタ
と呼ばれ、またｔｅＸ＋　１２１どけ雑音発生器の過剰
雑音温度比である。第１回に一般的な雑音指数測定系の
構成ブロック図を示す。

この第１図の１は標準雑音発生器、２は被測定デバイス
（以下ＤＵＴと云う）であシ、３けミキサ、４は局部発
振器、５はＩＦ増幅器、６は直読形雑音指数指示器であ
る。点線内がＤＵＴ　２を含む受信系を構成している。

ＤＵＴ　２はこの受信系そのものの場合もあり、また前
置増幅器のようにミキサの前段に接続されている場合も
ある。

このようにＤＵＴ　２の次段に２ポ一ト回路が縦続接続
されて受信系が構成されている場合には、初段のＤＵＴ
　２の雑音指数・有能利得をそれぞれＦ　ｒ　　、Ｇａ
とし次段以降の回路の雑音指数をＦ、とすれば、総合の
雑音指数Ｆ、はＦｒ１１ｇの公式によシ で表わされる。この公式を適用する際に注量すべき事項
は次の通シである。。

一般に雑音源を含む線形２ポ一ト回路の雑音指数や有能
利得は信号源アドミタンスＹに大きく依存する。また次
段以降の回路も初段回路の出力アドミタンスＹｏｕｔの
影響をうける。したがって（２）式は と書かれねばならない。

ＤＵＴ　２の雑音指数測定方式は従来Ｆ、、Ｇを既知と
して総合雑音指数Ｆｔの測定値からＦｌを分離評価する
という方法がとられていた。

しかし、この方法では、Ｆ、はともかり、Ｇａは第２図
に示すごとく、信号発生器９．サーキーレータ１０や電
力測定器１１．１２などを用いた別の測定系で、ＤＵＴ
　２毎に測定しておく必要があり、さらに信号源アドミ
タンスＹをパラメータとしてＤＵＴの雑音指数を測定す
る必要がある場合には、１個のＤＵＴ　Ｋ対してもＹ８
をノ臂うメータとしてＧを多数測定しておく必要があり
、その繁鍍さは図シ知れ々い上に、第１図の雑音指数測
定系から第２図の有能利得Ｇａの測定系にＤＵＴをつな
ぎかえるために、そのことが測定誤差の原因となるとい
う欠点があった。しかも（３）式に示されているように
、Ｙ、Ｙｏｕｔへの依存性が顕著な場合には、Ｆ意の較
正も極めて困難５− であ！Ｅ、（３）式を用いてのＦｓ、Ｇの分離評価は全
く容易でないことも大きな欠点であった。

一方、近年高周波用のパイＩ−ラトランジスタや電界効
果型トランジスタ（ＦＥＴ　）などの固体デバイスの開
発、実用化が急速が進展をとげ、かかるデバイスの低雑
音化、高性能化の方向は止まるところを知らない。

このような気運において低雑音デバイスの雑音、利得評
価技術は益々その重要度を増し、如何に次段以降の雑音
測定系の影響を消去して精密測定をなし得るかが重大問
題となっている。

この欠点を救済しようという一つの試みを第３図に示す
。同図においてＤＵＴ　２と次段回路３との間にアイソ
レータ７や抵抗減衰器８を挿入する方法である。すなわ
ちアイソレータ７に後続する受信回路はアイソレータの
一定が出力アドミタンスを信号源アトはタンスとしてみ
るため、Ｆｌ　　（：Ｙｏｕｔ　）はＹ８の如何にかか
わらず一定とみなせる。

また、抵抗減衰器８の減衰量を可変として６− Ｆ、を変え、Ｆ、値から雑音測定のみでＦ、、Ｇを分離
評価しようという提案もなされている。

しかしながら、上述の方法でｒｌ、ｃを精密評価するた
めには、ＤＵＴ　２の出力アドミタンスを回路調整して
常に次段アイソレータと共役回路整合をとらなければな
らないという制約が課される。

このようなりＵＴの出力回路調整は測定上非常に繁雑で
あ夛、また調整回路の多少の損失増加がＦ１＋Ｇ測定値
の精度を不確定にするという欠点を伴うことが明らかと
なった。

以上述べたように、従来、ＤＵＴを含む受信系全体の総
合雑音指数、すなわち（２）式あるいは（３）式のＦｔ
は前述した第１図の直読形雑音指数指示器により、自動
測定が可能であったが、ＤＵＴのみの雑音指数および有
能利得を自動的に分離評価できる測定装置は前述した従
来の測定方式の諸欠点のため妊実覗していない。

この発明は上記に詳述した従来の測定方式の欠点をすべ
て解消し、２Ｊ−ト回路からなる被測定デバイスの雑音
指数と有能利得を何らの回路調整を必要とせずに雑音測
定のみで同時に分離評価しうる新規の測定方式にもとづ
きデバイスの雑音指数と有能利得とを自動的に測定表示
することができる雑音指数、利得自動測定装置を提供す
ることを目的とする。

以下、この発明の雑音指数、利得自動測定装置の実施例
を図面を参照して説明する。第４図はその一実施例を示
すブロック図であるが、第１図あるいは第３図と共通の
構成要素には同一符号を付与しである。

図中の１３はリアクティブなチューナ、１４は３ポート
サーキユレータ、１５は電磁駆動形のステップ減衰器、
１６は低雑音増幅器、１７は雑音電力測定器、１８は電
磁駆動形のステップ減衰器、１９は標準雑音発生器、２
０Ｆｉ標準雑音発生器１の駆動電源、２１けステップ減
衰器１８の駆、動電源、２２け標準雑音発生器１９の駆
動電源、２３は電磁駆動形のステ、ｆ減衰器１５の駆動
電源、２４け雑音電力測定器１７の出力をディジタル信
号にコード化するＡ−Ｄ変換器、２５は制御およびデー
タ処理用記憶装置、制御装置、演算装置、入力装置を含
む電子計算機（以下電子計算機と略）、２６は測定結果
の表示部である。

第４図において、この発明の雑音指数、利得自動測定装
置は破線内の構成要素により構成され、一点鎖線内の構
成要素は測定周波数範囲に応じて変更できるように機能
ユニットとして構成されている。

ここで、まずこの発明の測定装置の測定原理を説明する
ために、第４図のブロック図から制御あるいはデータ取
得用の構成要素を除いた標準雑音発生器１、チューナ１
３、ＤＵＴ　２．３ポートサーキユレータ１４、ステッ
プ減衰器１８、標準雑音発生器１９、電磁駆動形のステ
ップ減衰器１５、低雑音増幅器１６、ミキサ３、局部発
振器４、ＩＦ増幅器５、雑音電力測定器１７よりなる部
分の等何回路を第５図に示す。

ＤＵＴ　２の雑音指数、有能利得をそれぞれＦＩ＋Ｇ　
％＝９− 信号源アドミタンスをＹｌこのときのＤＵＴ出力アドミ
タンスをＹｏｕｔとする。

線路特性アドミタンスＹをもつサーキュレータ１４の第
１のポートＩＩはＤＵＴ　２の出力端子Ｋ。

また第２のポート２′には減衰量りの可変減衰器１５と
雑音指数Ｆ、をもつ忙音測定回路が接続されている。

サーキュレータ１４の第３のポート３′には減衰量りの
ステップ減衰器１８を介して標準雑音発生器１９を接続
して整合終端としている。

いま、信号源が基準温度Ｔ。にあるとし、第５図の回路
で測定される総合雑音指数Ｆｍをサーキユレータ１４の
入力端子面である第１のポート１／にて換算評価する。

なおＴは測定回路の等価温度、Ｔｅｘｔは標準雑音発生
器１９の過剰雑音温度である。

このときＦ　は ｍ で与えられる。

ここにｒはＹ。線路系からみたＤＵＴ　２の出力アドミ
タンスＹｏｕｔの反射係数であシ、ｔｅｘｓ　、　ｔｅ
ｘはＴｅｘ５．（Ｔ　−Ｔ　）にそれぞれ対応する過剰
雑音温度比である。

また、 ｔｅｘｓ　＋　ｔｅｘ　（Ｌ　　−１）／Ｌａ＝　ｔｅ
ｘ　−・−（５）ＬＦ２＋（Ｌ　−１）　ｔｅｘ　−Ｆ
！’　　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６
）とおけば、ｔａｇ　＊　Ｆｔ’ｌｄそれぞれサーキュ
レータ１４の第１のポートＩＩにて評価した標準雑音発
生器の過剰雑音温度比と雑音測定系の雑音指数に対応す
る。したがって（４）式は次のように書き直される、。

（７）式を（３）式と比較すれば、これらはｌｒｌ’＝
ｏの限り一致しえないことが明らかである。（７）式を
適用してＦｌ　、Ｇ　　、Ｈ２を雑音測定のみによシ分
離評価する手順は次の通りである。

サーキュレータ１４の第３のポート３Ｉに接続された標
準雑音発生器１９をオン、オフして過剰雑音温度比をｔ
ｅａと０％また減衰…・Ｌを切換えて、測定系の雑音指
数をＦ２／とＦ、に切り換えて総合雑音指数Ｆの測定を
３回実施する。

すなわち、ｔｅａ＝０、Ｆ　２’　＝　Ｆ　２　のとき
Ｆ＝Ｆ　　　ｔｅｓ＝０、Ｆ２／　＝＝　ｌｉｔ　２７
のときＦｍ＝Ｆｍ２、ｍｌ　翫 ｔｅｓ＝ｔｅｓ１Ｆ２’＝Ｆ、のときＦｍ＝Ｆｍ３とす
る。

（７）式から が得られる。これらの３式を組み合せればＦ　Ｉ　＋Ｇ
などは次式のように分離評価される。。

・々ラメタの設定例としてＦ　ｔ’／　Ｆ　ｚ　＝　２
　（３ｄＢ　）をとると上式はさらに簡単化され これらの設定パラメタはＤＵＴ　２を接続するに先き立
って測定系のみで較正しておけばよい。

このようＫして特定の信号源アドミタンスＹ、に対して
Ｆｌ　、ＧなどがＤＵＴ　２の出力回路無調整にて評価
できることになる。実測定に用いるサーキュレータは必
ずしも理想サーキュレータではありえないが、その影響
を理論検討した結果挿入損最小状態に調整されたサーキ
ュレータを１３− 用い、前記した雑音較正を行っておけば、雑音評価にお
ける誤差は殆んど無視しうることが明らかにされた。

以上述べた測定原理にもとづいて構成されたこの発明の
測定装置の一実施例を示す第４図のブロック図にもとづ
き、その動作を説明する。

この測定装置の動作はコンピュータに記憶でれたソフト
ウェアによって制御される。

その動作の一例を以下に説明する。まず、電子計算機の
動作を開始させて環境温度（Ｔ：絶対温度表示）、標準
雑音発生器および１９のＥＮＲ（過剰雑音温度比）の値
を入力し、記憶させるとともに、温度Ｔに対する標準雑
音発生器１のＥＮＲ（ｔｏ＋　）を算出し、記憶させる
。

次にステップ減衰器１８の設定すべき減衰量の値（Ｌａ
）を入力すると、電子計算機よりの制御信号が駆動源２
１に入り、減衰器１８は所望の値Ｌ１に設定される。

次いでステップ減衰器１５の減衰量を最低値（ｏ：ｓｎ
　）に設定するよう、データを入力する。

１４− 以」二の手順でまず測定系の較正の準備が終了する。こ
のとき、あらかじめ記憶されているところにより標準雑
音発生器１９はオフに設定されている。

次に、標準雑音発生器１をサーキュレータ１４のポート
　に接続して、サーキュレータ以降の雑音指数Ｆ、／を
測定するよう指示を電子計算機２５に与える。

このとき、電子計算機はあらかじめ記憶されている命令
により標準雑音発生器１をオンおよびオフに設定した二
つの場合の、雑音出力Ｎ２゜Ｎ＋　を射「音電力測定器
により測定し、雑音電力測定器よりの前記雑音出力に比
例しだ直流電圧をＡＤ変換器２４によりディジタル符号
に変換して電子計算機２５に入力させる。

電子計算機２５内で前に入力した標準雑音発生器１のＥ
Ｎ’Ｒおよび環境温度の値を用いてＦ、／を計算し、そ
の値をＦ、として記憶させる。このとき、Ｆｔは基準温
度がＴ。（＝２９０Ｋ）ではなく環境温度Ｔに等しいと
して、求めておく。

Ｆ２は次の０１式で表わされる。

さらに、今度は、サーキュレータ１４のデート１１を短
絡し、あらかじめ記憶されている命令によシ、標準雑音
発生器１９をオンおよびオフに設定した場合の雑音出力
Ｎ２’、Ｎ、’を前述の場合と同様に電子計算機２５に
入力し、サーキュレータ１４のポート１′で評価した標
準雑音発生器１９の温度Ｔを規準とするＥＮＲ（ｔｅａ
　）を次式を用いて計算し、記憶させる。

４／ １ｅａ−（玉７１）Ｆｔ　　　・・・・・・・・・・・
・・・・０め以上の手順により測定系の較正は終了する
。

次に、チューナ１３およびＤＵＴ　２を第４図に示すよ
うに接続して、チューナ１３を所望の信号源アドミタン
スＹ８が得られるように設定した後、電子計算機２５に
あらかじめ記憶した命令により （１）標準雑音発生器１９をオフに、ステップ減衰器１
５をＯｄＢに、 （２）標準雑音発生器１９をオフに、ステップ減衰器１
５をあらかじめ定められた値（ＬｄＢ　）　Ｋ、（３）
標準雑音発生器１９をオンに、ステップ減衰器１５をＯ
ｄＢに、 設定する、。

この三つの場合についてＤＵＴ　２以降の温度Ｔの雑音
指数を測定し、電子計算機２５に記憶させ、Ｆ、’＝Ｌ
Ｆ、として（１１）　、　（ｌ環式を適用して、ＤＵＴ
　２のＦ、、Ｇ＆を電子計算機２５内で計算する。

ただし、Ｆｌは温度Ｔを基準としているので、雑音指数
の定義にしたがって規準温度をＴに変になるので、これ
をあらためてＦｌ　とし、ＦＩ。

Ｇ、Ｌを表示部２６に表示する。

以上の手順をコンピュータ、グロダラムにして電子計算
機２５に記憶させれば、１回の測定系の較正とＤＵＴ　
２の接続および電子計算機２５の操作のみの簡単な操作
でＤＵＴの雑音指数および有能利得の測定ができる。

また、この発明の装置の変形例として、第４図の局部発
振器４として、掃引信号発生器あるいはシンセサイザを
用いこれを電子計算機により制御するととにより、雑音
指数および有能利得の周波数依存性を簡単に測定するこ
とができる。

さらに、チューナ１３として、電気信号によシ制御可能
なチューナを用いて、これを電子計算機で制御すること
により、ＤＵＴの雑音指数および有能利得の信号源アト
はタンス依存性も容易に測定することができる。

以上述べたようにこの発明の雑音指数、利得自動測定装
置によれば、線形２ポートからなる被測定デバイス（Ｄ
ＵＴ　）の出力端子と雑音測定系の入力端子間に３ボー
トサーキーレータを挿入し、第３のポートより規定レベ
ルの高周波雑音を注入１．受信するととを基本として構
成され、それに電子計算機による制御およびデータ取得
処理系が付加された自動雑音指数、利得測定装１ｕｔに
より、ＤＵＴを接続するのみで何らの回路調整を行うこ
ともなく、自動的にＤＵＴの雑音指数および有能利得を
測定でき、従来法に比べ簡単で迅速に、しかも精度のよ
い測定が可能であり、低雑音デバイスの開発や設計、製
造上に多大の便利さをもたらすことは云うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な靴音指数測定系のブロック図、第２図
は一般的な有能利得測定系のブロック図、第３図は従来
の雑音、利得性能評価方式のブロック図、第４図は、こ
の発明の雑音指数、利得自動測定装置の一実施例を示す
ブロック図、第５図は第４図に示す雑音指数利得自動測
定装置の測定原理を説明するための等価回路図である。 Ｉ、１９・・・標準雑音発生器、２・・・被測定デバイ
ス、３・・・ミキサ、４・・・局部発振器、５・・・Ｉ
Ｆ増幅器、６・・・雑音指数指示器、７・・・アイソレ
ータ、８・・・可変抵抗減衰器、９・・・信号発生器、
１０・・・サーキュレータ、１１．１２・・・電力計、
１３・・・チューナ、Ｉ４・・・サーキュレータ、　　
１５．１８・・・電磁駆動形のステッゾ減衰器、１６・
・・低雑音増幅器、１７・・・雑音電力測定器、２０．
２２・・・標準雑音発生器の駆動電源、２１．２３・−
・電磁駆動形ステップ減衰器１８．１５の駆動電源、２
４・・・Ａ−Ｄ変換器、２５・・・電子計算機、２６・
・・測定結果の表示部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 線形２ポ一ト回路からなるデバイスの雑音指数および利
   得を、内蔵する少くとも記憶装置、制御装置、演算装置
   を含む電子計算機による制御およびデータ処理によって
   自動的に測定評価する雑音指数、利得測定装置において
   、前記被測定デバイスの入力端子に接続する第１の雑音
   発生器と、前記被測定デバイスの出力端子に接続する第
   １のポートを入力ポートとするサーキュレータと、この
   サーキュレータの第２のポートに接続する受信機と、こ
   の受信機の出力電力値を前記電子計算機に入力可能とす
   る信号変換装置と、前記サーキュレータの第３のポート
   に接続する第２の佐音発生器と、前記第１．第２の雑音
   発生器の過剰雑音温度比値および受信機の雑音指数値を
   前記電子計算機からの制御信号によシ切り換え設定可能
   な手段とを具備したことを特徴とする雑音指数、利得自
   動測定装置、。