是德中端矢量网络分析仪E5081A ENA-X与 N524xB PNA-X噪声系数测量对比

放大器和变频器是射频与微波子系统（如卫星转发器、雷达收发组件）中的核心元器件。噪声系数（Noise Figure，NF）是对这些子系统接收端器件进行表征的关键参数之一。

噪声系数可以使用噪声系数分析仪、频谱分析仪或网络分析仪等测试仪器进行测量。由于网络分析仪还具备 S 参数、增益压缩、互调失真等其他关键测量能力，因此常被选用。网络分析仪所支持的冷源法（cold-source）噪声系数测量技术，能够实现既精确又高效的测量。

在器件设计阶段，测试的简便性（无需许多外部器件）和测试速度，有助于设计人员高效地改进设计；在制造环节，快速而简便的测试则能显著节约成本。自 2008 年首次推出噪声系数软件应用以来，是德科技（Keysight）高性能 PNA-X 网络分析仪一直是噪声系数测量的标准方案。如今，同样的噪声系数测量能力已加入是德科技中端性能网络分析仪家族——ENA-X。

本应用笔记对比了 E5081A ENA-X 与 N524xB PNA-X 的噪声系数测量能力。需要说明的是，本对比主要围绕噪声系数测量展开；ENA-X 与 PNA-X 平台之间还存在其他差异（例如是否内置合路器、多端口与多站点测量、功率与谐波等指标），这些不在本文讨论范围内。

核心观点：中端 ENA-X 与高性能 PNA-X 采用相同的噪声系数方法与测量科学。ENA-X 为用户提供更低成本的有源器件测试方案。（E5081A ENA-X / N524xB PNA-X）ENA-X 与 PNA-X 的共性
（一）标量与矢量噪声系数测量
ENA-X 与 PNA-X 的噪声系数测量方案均基于是德科技 VNA 已使用近二十年的冷源技术。两款仪器都可通过噪声系数软件应用，为放大器（NF）和变频器（NFx）提供标量噪声系数与矢量噪声系数测量能力。在两款 VNA 上，用户都可以选择使用噪声源或功率传感器来完成接收机表征。
软件应用配合内置噪声系数硬件，使噪声系数测试变得非常简单：只需将待测件（DUT）连接到测试端口，再按照软件 GUI 的引导即可完成测量。同一连接方式还可用于 S 参数、增益压缩及其他有源器件测量。

图 1：ENA-X 与 PNA-X 均可对放大器和变频器进行噪声系数测试。

图 2：ENA-X 与 PNA-X 均具备矢量噪声系数与标量噪声系数能力。
（二）噪声系数测量对比
下图展示了同一器件在 ENA-X 和 PNA-X 上、分别采用矢量与标量噪声系数校准
得到的测量结果。

图 3：对于矢量噪声系数测量，两者结果相近；但如后文所述，使用 PNA-X 进行矢量测量更为方便。

图 4：对于标量测量，PNA-X 更优的原始硬件性能使整体纹波略小。
（三）接收机噪声系数对比
各分析仪的接收机噪声系数指标详见其数据手册，为便于对比，此处节选主要频段数据。
20 GHz 方案
在低于 20 GHz 的频率范围内，ENA-X 与 PNA-X 接收机的噪声系数相近。

图 5：频率低于 20 GHz 时，ENA-X 与 PNA-X 接收机噪声系数相近。

44 GHz 方案
在低于 35 GHz 的频率范围内，ENA-X 与 PNA-X 的噪声系数相近；在更高频率上 PNA-X 具有优势。此外，在高于 40 GHz 的频率上，ENA-X 需要外部滤波器，而PNA-X 内置了滤波器。

图 6：频率低于 35 GHz 时，两款 VNA 噪声系数相近；更高频率上 PNA-X 具有优势。

三、ENA-X 方案的优势
（一）价格优势
PNA-X 是是德科技的高性能网络分析仪家族，ENA-X 是中端网络分析仪家族。就噪声系数测量而言，基于 ENA-X 的方案成本约为基于 PNA-X 方案的 70%。

（二）尺寸与重量优势
以 20 GHz 网络分析仪为例，ENA-X 重约 17 kg，明显轻于 27 kg 的 PNA-X。ENA-X 可由一人搬运，而 PNA-X 几乎总是需要两人抬。
（三）噪声系数测量的效率与灵活性
2 端口 ENA-X 可配置一个（端口 1 或端口 2）或两个噪声接收机（端口 1 与端口2）。而 PNA-X 只能在端口 2 配置一个噪声接收机。在端口 1 和端口 2 都配置噪声接收机，便于测试收发信机等双向器件：使用 ENA-X 测试收发信机时，可将发射（Tx）通路从端口 1 连到端口 2，并在端口 1 测量接收（Rx）通路（通常为端口 2 到端口1）的噪声系数。

而 PNA-X 的噪声接收机位于端口 2，因此需要将 Tx 从端口 2 接到端口 1、Rx 从端口 1 接到端口 2。这种硬件配置的缺点在于：诸如 IMD 等应用的设计是使用端口 1与端口 1 源 2 作为 f1、f2 的信号源，无法使用端口 2 的信号源。此外，PNA-X 的端口 1 具有更好的滤波性能（其被设计为主信号源），例如端口 1 的源谐波比端口 2 好30 dB。对有源器件进行非线性测量时，让端口 1 作为源端口是有利的。虽然可以通过外加开关或反接 DUT 来解决，但这并不方便。
（四）快速测量能力
ENA-X 的另一个特点是：如果允许测量中出现更多抖动，则可以实现更快的噪声系数测量。PNA-X 家族以精度为优化目标，优先保证精度而非速度。ENA-X 允许用户以较低噪声平均次数进行非常快的噪声系数测量——这些测量会带有更多抖动，但制造环境中用户可能认为这种取舍是值得的。
这种权衡可从上图看出：PNA-X（两条蓝色曲线）在采用 20 次噪声平均时，测量噪声（抖动）小于 0.025 dB（rms），耗时约 10 秒；ENA-X（两条橙色曲线）在 20次噪声平均时噪声为 0.06 dB（rms），但扫描时间在毫秒级。也就是说，ENA-X 的测量噪声更大，但速度显著更快。
四、PNA-X 方案的优势
基于 PNA-X 的方案的主要优势在于更方便，尤其是在实验室环境中：矢量噪声系数可能优于标量噪声系数，且用户经常需要更改激励设置。在制造环境中，通常更倾向于使用标量噪声系数（因为它更快、设置已知），这些因素就不那么重要了。
PNA-X 在所有频率上的优势：
· 内置用于矢量噪声系数的 ECal 调谐器开关（对标量噪声系数不构成影响）；为老式 346 噪声源提供方便的 28 V 偏置（对新型 USB 噪声源不构成影响）；不同增益设置下的校准有效性。
PNA-X 在 44 GHz 方案上的优势：
· 内置调谐器模块；
· 内置滤波——ENA-X 在 40 GHz 以上需要外部滤波器。

（一）PNA-X 优势：内置用于矢量噪声系数的 ECal 调谐器开关
矢量噪声系数测量可以使用 ECal 作为调谐器。该 ECal 模块被称为“ECal 调谐器”（ECal-as-tuner），以区别于用于 S 参数校准的 ECal 模块。
PNA-X 上的噪声系数测量包含两个底层测量：噪声功率测量和 S 参数测量。在噪声功率测量阶段，ECal 调谐器被设置为不同阻抗状态，为 DUT 提供不同的源阻抗；
在 S 参数测量阶段，ECal 调谐器被设置为直通（thru）状态。
26.5 GHz 的 N5242B PNA-X 内置机械开关，可在矢量噪声系数测量期间将该ECal 模块切入测量通路；对于增益压缩、谐波或 IMD 等非噪声系数测量，该开关设置为直通路径。44 GHz 的 N5244B 则内置了开关和调谐器模块。
· 增加一个外部开关（与 PNA-X 的内置开关类似），使噪声系数测量走 ECal 调谐器路径，其他测量类别走直通路径——这样可获得与 PNA-X 相同的精度和配置。
建议优先选用机电开关而非固态开关，因为机电开关损耗更小；在测试频段内低损耗的固态开关也可使用。本应用不一定需要带端接的开关，端接或非端接开关均可。
应尽量减小 ECal 与 DUT（参考平面）之间的损耗，以保证矢量噪声校准的准确性。该段的高损耗（DUT 所看到的源匹配）会导致阻抗状态向 50 欧姆塌缩，这是不可取的。
PNA-X 内置调谐器开关（26.5 GHz），或内置开关与调谐器（50 GHz）。使用ENA-X 时，这些部件需要外部提供。调谐器仅对矢量噪声系数有影响，对标量噪声系数不适用。标量噪声系数是制造中使用的主要方法，因为它需要的扫描次数更少、速度更快。
（二）PNA-X 优势：老式 346 噪声源的 28 V 偏置
PNA-X 上的 28 V 偏置 BNC 接口比 ENA-X 上的 346CH08 适配器加软件方案更方便。如果使用USB噪声源，ENA-X 与 PNA-X 之间则没有差别。
两款仪器都可以使用346非 USB 噪声源，但PNA-X 内置带 BNC 连接器的28 V直流电源 ， 方便为老 式 346噪声源提供偏置 。使用 ENA-X时， 用户需要使用346CH08 USB转 BNC 适配器，并在 VNA 上运行专门的软件来控制偏置。硬件连接好、软件运行起来后，其余操作与 PNA-X 完全一样。
如果使用新型 USB 智能噪声源，则不存在 28 V 偏置不便的问题——USB 噪声源通过USB 供电，在 ENA-X 与 PNA-X 上的工作方式相同。
五、结论
ENA-X——有源器件噪声系数表征的低成本替代方案
传统上，高性能 PNA-X 是有源器件（如噪声系数）测量的主要方案。如今，中端ENA-X 也提供了噪声系数能力，且成本远低于 PNA-X，为有源器件测试用户提供了另一种选择。