Noise Parameter Basics - tactron.de · ReceiverLNA 50 O F.rec Noise Noise€Source Receiver ......

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Dr. Zacharia Ouardirhi Dipl. Ing. Matthias Beer MBA Noise Parameter Basics

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Dr. Zacharia OuardirhiDipl. Ing. Matthias Beer MBA

NoiseParameter

Basics

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Presentation Outline

•Noise Figure vs Noise Parameter•Noise Parameter Extraction•Noise Parameter Measurement Setups•Noise Parameter Verification

Copyright Focus Microwaves Inc. 2014 2

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Noise Figure Definition

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Output Signal = Input Signal * Gain:  S.out = S.in * GOutput Noise = Input Noise * Gain + Internal Noise:   N.out = N.in * G + N.dut

Noise Figure is the“Signal/Noise Ratio

Degradation”through the media (DUT)

in

in

NS

+

Na

Ga

out

out

NS

Ga

Ga+Na

Output

Input

SNRSNR

NF

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Noise Figure vs Noise Parameters

4

To design a Low Noise Amplifier you need the four NoiseParameters, not only the Noise Figure

This transistor has a

noise figure of

2.9dB at 50

but a minimum noise

figure of

0.85dB at 100+j150 

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Noise Circles

Gain Circles

Stability Circles

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Noise Parameter Measurement SetupThe tuners synthesize.source

F.dut = F.total – (F.rec­1)/Gav.dut

• A two­port device has 4 Noise Parameters• To determine them at least 4 x  .source are needed• Focus method uses many more (~50)

.source

Input Tuner

Receiver­LNA

50

F.rec

NoiseReceiverNoise Source

F.total

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Extract DUT Noise Figure

• Using FRIIS’formula for a cascade of amplifiers with NoiseFigure Fi and Available Gain Gi

F.total = F1 + (F2­1)/G1 + (F3­1)/(G1*G2) …• We derive

F.dut( s)=F.total( s) – {F.rec( dut( s))­1}/G.dut( s)where:dut( s) = S22 + (S12*S21* s)/(1­S11* s)

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DUT{Sij}

s

dut = f( s)

ReceiverF.rec

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• Noise Figure depends on Ys as follows:F (Ys) = Fmin  + Rn/Gs * |Ys – Yopt|2

• This is the equation of a parabolic­hyperboloid surfacewith a set of isometric circles on the Ys Smith Chart,with F as parameter

Four Noise Parameters

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Determination of 4 NP

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Wideband Stability

9

Stability Circle(:  s for  dut=1)

Tuning Range

Min Freq

Max Freq

ATTENTIONThe DUT may oscillate at lowfrequencies, even though wemeasure at high frequencies,because the tuner is wideband!

opt ­> Fmin

s

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Wideband Impedance Spread

10

Stability Circle(:  s for  dut=1)

Tuning Range

Min Freq

Max Freq

For fast noise measurements, thetuner has to move least, this meansthe impedance points cannot beoptimum at all frequencies

NFmin

s

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Source Impedance Patterns• Low Density Pattern 1

(12­21 points) = spiral starting atS11* at fmin and fmax and fmedif fmax/fmin> 4

• High Density Pattern 2(25­50 points) ­ Same as above

• Target Pattern 3(25­50 points) = triangle centeredaround S11*, else as above

• Customized tuning pattern11

S11*

S11*

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Selecting Valid Noise DataMonitor various (user defined) criteria to maintain thequality of the measured data.

•Maximum  sFilters out any measured point with s > Limit

•Mismatch limitMismatch Factor shows the distance of  s from the input stabilitycircle of the DUT. The larger the number, the closer  s to the stabilitycircle.

•Oscillation AvoidanceMonitors the fluctuations in DC current to detect instabilities. Skip thecurrent measurement source impedance at all frequencies.

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Selecting Valid Noise DataMonitor various (user defined) criteria to maintain thequality of the measured data.

•Maximum  sFilters out any measured point with s > Limit

•Mismatch limitMismatch Factor shows the distance of  s from the input stabilitycircle of the DUT. The larger the number, the closer  s to the stabilitycircle.

•Oscillation AvoidanceMonitors the fluctuations in DC current to detect instabilities. Skip thecurrent measurement source impedance at all frequencies.

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Noise Data Processing use SVD

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• Singular Value Decomposition (SVD)• In linear algebra, the singular value

decomposition (SVD) is an importantfactorization of a rectangular real orcomplex matrix, with manyapplications in signal processing andstatistics. Applications which employthe SVD include computing the pseudoinverse, least square fitting of data,matrix approximations, and determinethe rank, range and null space of amatrix

• Use at least 8 measured impedancepoints

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Effect of Filtering on Noise Data

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Raw Data

Filter

Filter&Smooth

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ONMONMDUTINMINMENR

Focus Focus

INM: Input Noise ModuleONM: Output Noise Module

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VNAVNA NFANFA

SourceTuner

Noise Measurement Setup 1

VNA is measuringS­Parameters of DUTand NFAnalyzer the NF

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VNAVNA

Noise Measurement Setup 2

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ONMONMDUTINMINM

SourceTuner

Focus

INM: Input Noise ModuleONM: Output Noise Module

Focus

VNA is measuringS­Parametersand NF of DUT

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Noise ParameterMeasurement Set­Up with ZVA only*

ONMONMDUTINMINM

LANControl

Focus

Focus

Focus

INM: Input Noise ModuleONM: Output Noise Module

Tuner

* above 24GHzadditionalaccessories for ZVAoption K30 are required

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Noise ParameterMeasurement Set­Up with PNA­X (Opt.029)

Test port 1

R1

Test port 2

R2A B

Source 2Output 1

Source 2Output 2

rear panel+28V

Noise receivers

10 MHz ­ 3GHz

3 ­26.5GHz

Source 1OUT 1 OUT 2

Pulsemodulator

Source 2(optional)

OUT 1 OUT 2

Pulsemodulator

Noise receivers

J9J10J11 J8 J7 J2 J1

Tuner

To receivers

LO

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DUT

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Noise Measurement Setup (PNA­X)The PNA­X has two noisereceiver options:1.Option 029: TrueNoise Receiver (based onNoise Source and 8975)2.Option 028: RMS/AVG(signal only)

Focus supports bothmethods

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Wideband tuner 0.7­26GHz tomatch the PNA­X 26

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Broadband Noise ParameterSystem Components

Input Module

Output Module

Control ModuleLAN/TCPIP

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Load Pull and Noise System

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Low Frequency Noise Parameter System – 0.3­10GHz

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Load Pull and Noise System

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High Frequency Noise Parameter System 10­67GHz

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Ultra Wideband Noise Parameters0.3­67GHz

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Noise Parameter Verification

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The problem…

• A load pull test setup can be verified using the back­to­back

(B2B) method: one tuner conjugate matches the other one at

many points using a THRU as a DUT.

• If the Gain is  1 then the system is accurate.

*

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Load Pull Setup Verification

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Gt=0.03dB

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In Noise things are not so easy…• Noise Parameters are not measured, they are calculated

Noise model: F = Fmin + Rn/Gs*|Ys­Yopt|2

• 4 accurate noise measurements would beenough to determine Fmin, Rn, Yopt=Gopt+jBopt

This is never the case, measurements in generaland noise measurements in particular are “noisy”

Therefore we use > 4 points and process the data

• Assuming the hardware is correct, the whole noisemeasurement literature over the last 50 years has been about

Choosing the “right” Ys points

Properly “processing” the data28Copyright Focus Microwaves Inc. 2014

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What is a“Noise Standard”

• A “Standard” is a device of which weknow, ahead of time, the exact physicalproperties like the 4 noise parameters

• A practical noise standard is one users canproduce themselves.

• Passive networks, without noise sourcesother than thermal, are such standards.

• Data sheets measured by “other systems”are not noise standards, they are simplereferences for comparison.

Copyright Focus Microwaves Inc. 2014 29

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Why are passive networksNoise Standards ?

It comes from the definition of Noise Figure:

• Noise Figure F = SNRIN / SNROUT

• F (Ys) = Available Loss = 1/Gav(Sij,Ys)• Calculate F for an arbitrary set of {Ysi} 4NP

{Sij}

Signal

Thermal Noise

Thermal Noise

Signal/LossYs

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Accuracy of Noise Parameter

F(Ys, Sij) =1/Gav =(|1­ s*S11|2*(1­| o|2 )/(|S21|2 *(1­| s|2))where o = S22 + S12*S21/(1­ s*S11)

s = (1­Ys/Yo)/(1+Ys/Yo); Yo=20mS.

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Test Equipment used:

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Receiver 1: Miteq LNA1 (up to 18GHz) + PNA­X

Receiver 2: Miteq LNA2 (up to 26GHz) + PNA­X

Receiver 3: Miteq LNA2 + R&S Spectrum analyzer.

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Noise Data Processing

Raw Data(3 samples)

StatisticalProcessing,Fmin

StatisticalProcessing,Rn

Theory

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Matched Attenuator ­3dB

Enable Post­ExtractionOptimization

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Attenuator – 6dB

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Attenuator – 9dB

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The raw data (measurement) have been correctThe true result is contained in the raw dataStatistical processing used to extract the final data has been correctThere cannot be a “coincidental agreement”

over such a wide frequency range.

Why is that important ?

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Mismatched passive Standard

38Copyright Focus Microwaves Inc. 2014

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S­parameter of mismatched Standard

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Limited accuracy

High passFilter

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N­Par of mismatched Standard

Theory

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Noise Parameters to verify F50

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N­Par Verification thru F50

F50 = Fmin + Rn/Gso * |Yso­Yopt|2

… Yso=Gso+jBso: Tuner Initialized

• Measuring Fdut at 50 = F50 (Tuner­initialized)• Calculating F50 from extracted 4 N­Par

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Verification thru F50

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F50 = Fmin + Rn/Re(Yso) * |Yso­Yopt|2 with Yso @ TunerInitialized

• Measuring FDut at 50 = F50 (          tuner init)• Calculating F50 from extracted N­Par

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Yso(f)

F50.cF50.m

F50.c­F50.m

­0.45dB

+0.45dB

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ConclusionsFocus offers Wideband noise parameter solution• The widest band tuners• Support of VNA, Spectrum Analyzers and NFM

Passive noise standard testing allows• Verifying the raw data• Verifying the Extraction• Verifying the Statistical Math (Averaging)

F50 testing allows• Consolidating active device data

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Focus Microwaves                 Winning through Innovation