Gain-Methode

Die Gain-Methode ist ein messtechnisches Verfahren zur Bestimmung der Rauschzahl (Noise Figure, NF) aktiver elektronischer Komponenten, insbesondere in Hochfrequenz- (RF) und Mikrowellensystemen. Sie stellt einen Zusammenhang zwischen der Verstärkung eines Geräts und seiner Ausgangsrauschleistung her, um das Rauschverhalten unter definierten Prüfbedingungen zu quantifizieren.

Messprinzip

Die Methode basiert auf drei zentralen Schritten:

1. Messung der linearen Verstärkung: Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangssignalleistung.

2. Bestimmung der Rauschleistungsdichte am Ausgang: Ermittlung der Rauschleistung pro Hertz Bandbreite.

3. Berechnung der Rauschzahl: Anwendung einer standardisierten Formel zur Berechnung aus Verstärkung und Rauschleistung.

Rauschzahl-Berechnung

Es existieren zwei gängige Berechnungsansätze:

Theoretische Formel:

NF = 10 log₁₀(Fa) = 10 log₁₀((P_no / T_ref) / (P_ni / T_0))

• P_no = Ausgangsrauschleistung

• P_ni = Eingangsrauschleistung

• T_ref, T_0 = Referenztemperaturen (typischerweise 290 K)

Praktische Messformel:

NF = PN_OUTD + 174 dBm/Hz − G

• PN_OUTD = Ausgangsrauschleistungsdichte (dBm/Hz)

• G = Verstärkung des Geräts (dB)

• 174 dBm/Hz = thermisches Rauschniveau bei 290 K

Verstärkungsdarstellung

Die Verstärkung wird berechnet als:

G = 10 log₁₀(P_out / P_in)

Dabei sind P_out die Ausgangsleistung und P_in die Eingangsleistung unter linearen Betriebsbedingungen.

Typisches Messverfahren

• Eingang des Prüflings mit charakteristischer Impedanz abschließen (z. B. 50 Ω)

• Spektrumanalysator mit geeigneter Auflösungs- und Videobandbreite konfigurieren (z. B. RBW/VBW ≈ 0,3)

• Verstärkung durch Messung von P_in und P_out bestimmen

• PN_OUTD mit Spektrumanalysator messen

• Ergebnis mit theoretischem thermischem Rauschniveau vergleichen

• NF mit der praktischen Formel berechnen

Erforderliche Geräte

• Netzwerkanalysator zur Verstärkungsmessung

• Spektrumanalysator zur Bestimmung der Rauschleistungsdichte

• Präzisions-Signalgenerator für ein stabiles Eingangssignal

• Optional: rauscharmer Vorverstärker

• Kalibrierte Abschwächer zur Kontrolle systembedingter Verluste

Anwendungsbeispiel

Ein Verstärker mit einer Verstärkung von 15 dB und einer gemessenen Ausgangsrauschleistungsdichte von −150 dBm/Hz ergibt:

NF = −150 + 174 − 15 = 9 dB

Dieser Wert beschreibt das zusätzliche Rauschen, das das Gerät im Vergleich zu einem ideal rauschfreien Verstärker einführt.

Praxisrelevante Hinweise

• Optimal für Komponenten mit mittlerer bis hoher Verstärkung (typisch ab 20 dB)

• Eingeschränkte Genauigkeit bei sehr niedrigen Rauschzahlen (< 1 dB) aufgrund des Eigenrauschens des Spektrumanalysators

• Systemverluste und Impedanzanpassungen müssen berücksichtigt werden

• Sorgfältige Kalibrierung ist entscheidend zur Minimierung von Messfehlern

• Für rauscharme oder schwach verstärkende Komponenten kann die Y-Faktor-Methode präzisere Ergebnisse liefern

Anwendungsbereiche

• Drahtlose Kommunikation: Charakterisierung von Empfängern und LNAs

• Satellitentechnik: Rauschbewertung von HF-Frontend-Stufen

• Mikrowellenentwicklung: Analyse von Verstärkerketten und Filtergruppen

• Radartechnik: Beurteilung der Empfängerempfindlichkeit

• Telekommunikation: Rauschanalyse in Signalketten

• Prüf- und Messtechnik: Verifizierung der Rauschzahl in Labor und Produktion