如何通過(guò)低噪聲放大器(LNA)提升接收機(jī)的靈敏度呢？

很多應(yīng)用場(chǎng)景都會(huì)用到低噪聲放大器(LNA)，包括無(wú)線通信、傳感器網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)航衛(wèi)星和射電望遠(yuǎn)鏡等。LNA在放大低功率信號(hào)的同時(shí)，也會(huì)影響系統(tǒng)信噪比 (SNR)。除了增益和線性度等常見(jiàn)放大器考慮因素之外，LNA 還必須具有低噪聲系數(shù)性能，以保持信號(hào)質(zhì)量和系統(tǒng)靈敏度。

LNA的性能對(duì)接收機(jī)質(zhì)量和可靠性的影響比任何其他部件都大，對(duì)于蜂窩終端設(shè)備、基站、無(wú)線局域網(wǎng) (Wi-Fi) 以及航空和衛(wèi)星通信系統(tǒng)至關(guān)重要。

工程師通過(guò)優(yōu)化LNA的噪聲系數(shù)、增益和線性度來(lái)提升接收機(jī)的靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)所需的信號(hào)質(zhì)量和覆蓋范圍。

噪聲系數(shù)測(cè)量

01

LNA 通常占據(jù)接收機(jī)鏈路的第一級(jí)，從而確定了系統(tǒng)鏈路預(yù)算、噪聲系數(shù)和接收機(jī)的最小可檢測(cè)信號(hào)。由于放大器有源電路的影響，低噪聲放大器會(huì)產(chǎn)生一些噪聲，噪聲系數(shù)就是表征放大器產(chǎn)生的噪聲。根據(jù)噪聲系數(shù)的 Friis 公式，第一級(jí)放大的噪聲系數(shù)F1確定了整個(gè)接收機(jī)的最小噪聲系數(shù)。

圖1. 總接收機(jī)噪聲系數(shù) FTotal考慮了每級(jí)的噪聲系數(shù) FN和增益 GN

噪聲系數(shù)描述了系統(tǒng)中存在的超額噪聲量。降低噪聲系數(shù)可減少噪聲導(dǎo)致的系統(tǒng)損傷。過(guò)多的噪音會(huì)降低信號(hào)質(zhì)量，如同電視廣播或手機(jī)通話中的靜電干擾。在雷達(dá)或通信應(yīng)用中，接收機(jī)噪聲限制了系統(tǒng)的有效覆蓋范圍。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通過(guò)增加信號(hào)功率或降低噪聲來(lái)優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的信噪比。開(kāi)發(fā)人員可以使用更強(qiáng)大的部件來(lái)增加發(fā)射信號(hào)功率，或者最大限度地減少發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的路徑損耗。而改善接收機(jī)的噪聲系數(shù)則是優(yōu)化 SNR 最簡(jiǎn)單且最具成本效益的方法。

傳統(tǒng)上，工程師使用 Y 因子法來(lái)測(cè)量噪聲系數(shù)，如圖 2 所示。Y 因子法測(cè)試系統(tǒng)包括已校準(zhǔn)的噪聲源、專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的噪聲開(kāi)關(guān)、具有良好輸出匹配的衰減器，以及頻譜分析儀或噪聲系數(shù)分析儀。當(dāng)噪聲二極管關(guān)斷時(shí)，噪聲源對(duì)DUT呈現(xiàn)室溫（冷態(tài)）端接。

在反向偏置期間，二極管會(huì)發(fā)生雪崩擊穿，產(chǎn)生相當(dāng)大的噪聲，這種額外噪聲描述為超噪比(ENR)。使用噪聲源在 DUT 輸出端進(jìn)行兩次噪聲功率測(cè)量，然后使用兩次測(cè)量的比率（稱(chēng)為 Y 因子）來(lái)計(jì)算噪聲系數(shù)。

圖2. Y 因子法的圖示

基于測(cè)試儀器的限制，在使用 Y 因子法進(jìn)行噪聲系數(shù)測(cè)量時(shí)，必須在熱測(cè)量和冷測(cè)量期間假設(shè)噪聲源匹配 50 歐姆。此外，由于傳統(tǒng)的測(cè)試設(shè)置無(wú)法糾正 DUT 輸入處的不匹配，因此隨著 DUT 的匹配變差，精度也會(huì)降低。這些測(cè)試裝置的限制會(huì)給使用 Y 因子法獲取的噪聲系數(shù)數(shù)據(jù)帶來(lái)很大的不確定性。

增益和

線性度測(cè)量

02

S 參數(shù)測(cè)量是射頻網(wǎng)絡(luò)的基本測(cè)量，用于描述LNA的線性行為，即正向增益、反向隔離以及輸入或輸出匹配。如果放大器呈線性，則無(wú)論輸入功率如何，S 參數(shù)都保持恒定。然而，全面可靠的放大器評(píng)估還必須應(yīng)對(duì)其非線性特性。

失真效應(yīng)嚴(yán)重影響信號(hào)質(zhì)量，尤其是放大器引起的非線性失真。帶內(nèi)失真的影響需要引起特別關(guān)注，因?yàn)闉V波被證明對(duì)此是無(wú)效的。圖 3 中定義的誤差矢量幅度 (EVM)被視為帶內(nèi)失真的重要指標(biāo)。

WiFi和5G NR等通信標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置了可接受的最低EVM要求。隨著標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格性的提高，準(zhǔn)確獲取和優(yōu)化 LNA 線性度和 EVM 的需求也隨之增加。

圖3. EVM 是測(cè)量信號(hào)與理想?yún)⒖夹盘?hào)的矢量差隨時(shí)間變化的均方根 (RMS)

典型連續(xù)波 (CW) 和雙音測(cè)試的首選工具是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA)。現(xiàn)代通信標(biāo)準(zhǔn)則需要對(duì)寬帶信號(hào)的復(fù)雜調(diào)制進(jìn)行測(cè)試。

傳統(tǒng)測(cè)試寬帶調(diào)制信號(hào)失真（EVM、ACPR等）性能會(huì)用到信號(hào)分析儀和信號(hào)發(fā)生器。在不同的測(cè)試設(shè)置之間切換以完成增益和線性度等測(cè)量不僅浪費(fèi)寶貴的測(cè)試時(shí)間，還會(huì)增加其間關(guān)聯(lián)結(jié)果的復(fù)雜性。此外，在信號(hào)分析儀上進(jìn)行EVM 測(cè)量所需的外部測(cè)試夾具（例如衰減器或升壓放大器）會(huì)帶來(lái)更多的測(cè)量不確定性。

單次設(shè)置，

完成多項(xiàng)測(cè)量

03

ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀平臺(tái)可幫助工程師更快地開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證LNA。ENA-X 包括集成的低噪聲接收機(jī)、調(diào)制失真分析和全矢量校正功能，以消除單個(gè)測(cè)試設(shè)置中的輸入端口失配、通道功率和源誤差影響。ENA-X 采用定制MMIC設(shè)計(jì)，為開(kāi)發(fā)人員提供更高的測(cè)量精度和可重復(fù)的結(jié)果。RF 開(kāi)發(fā)人員只需連接并校準(zhǔn)一次測(cè)試裝置即可完成全部測(cè)量。

網(wǎng)絡(luò)分析儀技術(shù)的進(jìn)步使工程師能夠使用冷源法進(jìn)行完全校準(zhǔn)的噪聲系數(shù)測(cè)量，如圖 4 所示。ENA-X還能完成EVM和ACPR測(cè)量。除了簡(jiǎn)化測(cè)試設(shè)置之外，網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量方法和技術(shù)有助于獲得更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

圖4. 冷源法的圖示

冷源法可替代 Y 因子法，提供更先進(jìn)的誤差校正，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量。工程師在待測(cè)件的輸入端進(jìn)行冷端接以測(cè)量噪聲功率。測(cè)量的噪聲包括放大的輸入噪聲和 LNA 產(chǎn)生的噪聲。作為整體噪聲系數(shù)測(cè)量的一部分，VNA可以同時(shí)測(cè)得DUT的S參數(shù)和增益。VNA自動(dòng)從測(cè)量中減去放大的輸入噪聲，僅留下 DUT 產(chǎn)生的噪聲，據(jù)此計(jì)算噪聲系數(shù)。

與 Y 因子法一樣，冷源法需要校準(zhǔn)來(lái)表征測(cè)試儀器噪聲接收機(jī)的噪聲系數(shù)和增益。冷源法僅在校準(zhǔn)期間需要噪聲源（或功率計(jì)），而不是整個(gè)DUT測(cè)量期間。

通過(guò)使用 VNA采用冷源法測(cè)量噪聲系數(shù)，工程師可以獲得 LNA 的全矢量校正的噪聲參數(shù)。該數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確分析 DUT 在 50 歐姆時(shí)的噪聲系數(shù)。此外，網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)全矢量校正提供更高精度的增益測(cè)量。

通過(guò)集成硬件

簡(jiǎn)化設(shè)置和校準(zhǔn)

04

ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀提供增強(qiáng)的硬件集成，包括端口 1 的內(nèi)置上變頻器以及端口 1 和 2的低噪聲接收機(jī)。這些集成提供了更大的測(cè)量靈活性。上變頻器使 ENA-X 能夠與低頻信號(hào)發(fā)生器（例如 Keysight MXG 信號(hào)發(fā)生器）配對(duì)，進(jìn)行高達(dá) 44 GHz 的測(cè)量。兩個(gè)集成的低噪聲接收機(jī)無(wú)需額外測(cè)試夾具并能使 ENA-X在雙向進(jìn)行DUT測(cè)量，從而簡(jiǎn)化噪聲系數(shù)校準(zhǔn)。只需連接和校準(zhǔn)測(cè)試裝置一次，工程師就可以完成標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析測(cè)量，以及冷源法噪聲系數(shù)的測(cè)量。

ENA-X 內(nèi)部接收機(jī)的低噪聲系數(shù)有助于提高噪聲系數(shù)測(cè)量靈敏度。這使得 ENA-X 的噪聲系數(shù)測(cè)量在30GHz以?xún)?nèi)的頻段毫不遜于高性能 PNA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀，如圖 5 所示。

圖5. ENA-X 與PNA-X的噪聲系數(shù)性能對(duì)比

使用調(diào)制失真分析軟件

進(jìn)行線性度測(cè)試

05

多種不同的測(cè)試設(shè)置會(huì)延長(zhǎng)驗(yàn)證周期時(shí)間并引入額外的潛在誤差。測(cè)試儀器的信號(hào)質(zhì)量影響著測(cè)試系統(tǒng)的誤差矢量幅度 (EVM) — 稱(chēng)為殘余 EVM。雖然這種固有誤差在以前的通信系統(tǒng)中是可以接受的，但當(dāng)今的毫米波傳輸系統(tǒng)需要更精確的測(cè)量來(lái)驗(yàn)證其性能符合嚴(yán)格的 EVM 要求（256 QAM 為 3.5%，1024 QAM 為 1%）。

ENA-X 提供擴(kuò)展的軟件應(yīng)用功能，可實(shí)現(xiàn)頻譜和信號(hào)分析。此功能使得完全矢量校正的調(diào)制信號(hào) EVM 和 ACPR 測(cè)量可在用于 CW 和雙音測(cè)試的同一設(shè)置上進(jìn)行。ENA-X 采用是德科技頻譜相關(guān)技術(shù)來(lái)直接分析頻域中的調(diào)制輸入和輸出信號(hào)。

ENA-X 的接收機(jī)直接接入功能為工程師提供了更大的測(cè)試靈活性，能夠?qū)⒃鰤悍糯笃骰蚨ㄏ?a target="_blank">耦合器環(huán)路嵌入測(cè)試系統(tǒng)，同時(shí)保持入射調(diào)制信號(hào)的質(zhì)量，并進(jìn)行VNA內(nèi)部接收機(jī)校準(zhǔn)。

審核編輯：劉清