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高效精準(zhǔn)表征低噪聲放大器

廈門(mén)同昌源儀器設(shè)備 ? 2025-04-02 10:11 ? 次閱讀
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在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中,如無(wú)線通信、傳感器網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)航衛(wèi)星以及射電望遠(yuǎn)鏡等,低噪聲放大器(LNA)扮演著不可或缺的角色。LNA在增強(qiáng)低功率信號(hào)的同時(shí),對(duì)系統(tǒng)的信噪比(SNR)有著直接影響。除了關(guān)注增益和線性度這些普遍的放大器性能指標(biāo)之外,LNA還必須具備卓越的低噪聲系數(shù)特性,以確保信號(hào)的高質(zhì)量傳輸及系統(tǒng)的高靈敏度。這樣,才能滿足各種精密應(yīng)用的需求,為無(wú)線通信等領(lǐng)域提供強(qiáng)有力的支持。


LNA的性能對(duì)接收機(jī)的質(zhì)量與可靠性具有最為關(guān)鍵的影響,尤其在蜂窩終端設(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)中表現(xiàn)得尤為重要。

工程師們通過(guò)精心優(yōu)化LNA的噪聲系數(shù)、增益及線性度,來(lái)增強(qiáng)接收機(jī)的靈敏度,從而達(dá)到提升信號(hào)質(zhì)量和擴(kuò)大覆蓋范圍的目的。這樣的優(yōu)化對(duì)于確保通信系統(tǒng)的高效運(yùn)作至關(guān)重要。


噪聲系數(shù)測(cè)量


01


低噪聲放大器(LNA)通常位于接收機(jī)鏈路的最前端,這對(duì)于確定系統(tǒng)的鏈路預(yù)算、噪聲系數(shù)以及接收機(jī)能夠檢測(cè)到的最小信號(hào)至關(guān)重要。盡管LNA作為有源電路不可避免地會(huì)引入一定量的噪聲,但其性能優(yōu)劣主要是通過(guò)噪聲系數(shù)來(lái)衡量的,該系數(shù)反映了放大器所產(chǎn)生噪聲的程度。根據(jù)Friis公式關(guān)于噪聲系數(shù)的描述,第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)F1實(shí)際上決定了整個(gè)接收機(jī)的最小噪聲系數(shù)。因此,優(yōu)化LNA的設(shè)計(jì)以降低其噪聲系數(shù),對(duì)于提升整體接收機(jī)性能具有關(guān)鍵意義。

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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)衡量了系統(tǒng)中額外的、非信號(hào)相關(guān)的噪聲量。通過(guò)降低噪聲系數(shù),可以減少噪聲對(duì)系統(tǒng)的負(fù)面影響,進(jìn)而保護(hù)信號(hào)質(zhì)量不受損,避免如電視廣播或電話通話中出現(xiàn)的靜電干擾現(xiàn)象。在雷達(dá)和通信應(yīng)用方面,接收機(jī)自身的噪聲限制了系統(tǒng)有效工作的覆蓋范圍。為優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的信噪比(SNR),系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以通過(guò)增加信號(hào)功率或者減少噪聲來(lái)達(dá)成目標(biāo)。這包括使用更高效的組件以增強(qiáng)發(fā)射信號(hào)的功率,或是盡量減少?gòu)陌l(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間的路徑損耗。然而,改善接收機(jī)的噪聲系數(shù)被公認(rèn)為是提升SNR最直接且經(jīng)濟(jì)的方式。

傳統(tǒng)上,工程師采用Y因子法測(cè)量噪聲系數(shù)。此方法涉及一個(gè)校準(zhǔn)過(guò)的噪聲源、專(zhuān)門(mén)配置的噪聲開(kāi)關(guān)、具有良好輸出匹配特性的衰減器以及頻譜分析儀或噪聲系數(shù)分析儀。當(dāng)噪聲二極管處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí),噪聲源表現(xiàn)為室溫下的負(fù)載(冷態(tài))。而在反向偏置條件下,二極管經(jīng)歷雪崩擊穿,產(chǎn)生顯著的噪聲,這種附加噪聲以超噪比(ENR)來(lái)描述。通過(guò)對(duì)被測(cè)設(shè)備(DUT)輸出端的噪聲功率進(jìn)行兩次測(cè)量——一次是在引入額外噪聲之前,另一次之后——并計(jì)算這兩次測(cè)量結(jié)果的比率(即所謂的Y因子),即可得出噪聲系數(shù)。這種方法為評(píng)估LNA及其他組件的性能提供了一種標(biāo)準(zhǔn)手段。



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圖2.Y 因子法的圖示


在利用Y因子法進(jìn)行噪聲系數(shù)測(cè)量時(shí),受限于測(cè)試儀器的條件,通常假設(shè)噪聲源在熱態(tài)和冷態(tài)測(cè)量期間均匹配50歐姆。然而,傳統(tǒng)測(cè)試配置的一個(gè)局限在于它無(wú)法校正被測(cè)設(shè)備(DUT)輸入端的不匹配問(wèn)題。這意味著,如果DUT在其輸入端的匹配度不佳,測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性將隨之下降。這種測(cè)試裝置的限制會(huì)導(dǎo)致通過(guò)Y因子法得到的噪聲系數(shù)數(shù)據(jù)存在較大的不確定性。因此,在進(jìn)行噪聲系數(shù)測(cè)量時(shí),必須考慮到這些潛在的誤差來(lái)源,并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)盡可能減小其影響,以確保測(cè)量結(jié)果的精確性和可靠性。

增益和

線性度測(cè)量


02


S參數(shù)測(cè)量是評(píng)估射頻網(wǎng)絡(luò)性能的基礎(chǔ)方法,尤其適用于分析低噪聲放大器(LNA)的線性特性,如正向增益、反向隔離和輸入輸出匹配度。在理想情況下,如果放大器工作在線性區(qū)域,其S參數(shù)將保持不變,不隨輸入功率的變化而變化。然而,為了全面且可靠地評(píng)估一個(gè)放大器,除了考察其線性表現(xiàn)外,深入理解其非線性特性同樣重要。非線性失真對(duì)信號(hào)質(zhì)量有顯著影響,尤其是由放大器引發(fā)的失真問(wèn)題更為關(guān)鍵。特別需要注意的是,帶內(nèi)失真的影響尤為嚴(yán)重,因?yàn)閭鹘y(tǒng)的濾波技術(shù)難以有效解決這類(lèi)失真。在這種情境下,誤差矢量幅度(EVM)成為衡量帶內(nèi)失真程度的重要指標(biāo),正如圖3所示。WiFi和5G NR等通信標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)設(shè)定了嚴(yán)格的最低EVM要求。隨著這些標(biāo)準(zhǔn)變得愈加嚴(yán)格,對(duì)于精確測(cè)量并優(yōu)化LNA的線性度以及降低EVM的需求也在不斷增加,這對(duì)于滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)高標(biāo)準(zhǔn)的要求至關(guān)重要。通過(guò)這種方式,可以確保信號(hào)傳輸?shù)母哔|(zhì)量和可靠性,支持不斷發(fā)展的無(wú)線通信需求。


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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)試的理想選擇是使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)。然而,對(duì)于現(xiàn)代通信標(biāo)準(zhǔn)中復(fù)雜的寬帶信號(hào)調(diào)制測(cè)試,則需要采用信號(hào)分析儀和信號(hào)發(fā)生器來(lái)準(zhǔn)確評(píng)估如誤差矢量幅度(EVM)、相鄰信道功率比(ACPR)等性能指標(biāo)。傳統(tǒng)上,在進(jìn)行增益、線性度以及寬帶調(diào)制信號(hào)失真等不同類(lèi)型的測(cè)量時(shí),需要在多種測(cè)試設(shè)置之間切換,這不僅耗費(fèi)了寶貴的測(cè)試時(shí)間,還增加了關(guān)聯(lián)不同測(cè)試結(jié)果的復(fù)雜性。此外,當(dāng)使用信號(hào)分析儀進(jìn)行EVM測(cè)量時(shí),通常需要外部測(cè)試夾具,例如衰減器或升壓放大器,這些額外的設(shè)備會(huì)引入更多的不確定性,進(jìn)一步影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。


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)為工程師提供了加速LNA開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證工作的強(qiáng)有力工具。ENA-X集成了低噪聲接收機(jī)、調(diào)制失真分析功能以及全面的矢量校正功能,可在單一測(cè)試設(shè)置中有效消除輸入端口失配、通道功率波動(dòng)及源誤差的影響。通過(guò)采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的MMIC(單片微波集成電路),ENA-X能夠提供更高的測(cè)量精度和重復(fù)性,確保了RF開(kāi)發(fā)人員僅需一次連接與校準(zhǔn)即可完成所有必要的測(cè)量工作。

此外,ENA-X支持使用冷源法進(jìn)行完全校準(zhǔn)的噪聲系數(shù)測(cè)量,如圖4所示,體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)分析儀技術(shù)的進(jìn)步。同時(shí),該平臺(tái)還能夠執(zhí)行EVM(誤差矢量幅度)和ACPR(相鄰信道功率比)等關(guān)鍵性能指標(biāo)的測(cè)量。ENA-X不僅簡(jiǎn)化了測(cè)試配置流程,其先進(jìn)的測(cè)量方法和技術(shù)還極大地提升了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。這使得工程師們可以更加高效地進(jìn)行精確測(cè)量,滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)高性能組件的需求。


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圖4.冷源法的圖示


冷源法提供了一種先進(jìn)的替代方案,可以取代傳統(tǒng)的Y因子法,用于實(shí)現(xiàn)更高精度的噪聲系數(shù)測(cè)量。這種方法通過(guò)在待測(cè)設(shè)備(DUT)輸入端進(jìn)行冷端接來(lái)測(cè)量噪聲功率,所測(cè)得的噪聲包含了被放大的輸入噪聲以及由低噪聲放大器(LNA)自身產(chǎn)生的噪聲。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)在此過(guò)程中能夠同時(shí)獲取DUT的S參數(shù)和增益,作為整體噪聲系數(shù)測(cè)量的一部分。隨后,VNA會(huì)自動(dòng)從總噪聲中減去放大的輸入噪聲成分,僅保留由DUT產(chǎn)生的噪聲,以此為基礎(chǔ)計(jì)算出更為精確的噪聲系數(shù)。

通過(guò)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)和冷源法測(cè)量噪聲系數(shù),工程師能夠獲取低噪聲放大器(LNA)的全矢量校正噪聲參數(shù)。這種方法使得對(duì)DUT在50歐姆條件下的噪聲系數(shù)進(jìn)行精確分析成為可能。此外,借助全面的矢量校正技術(shù),網(wǎng)絡(luò)分析儀還能提供更高精度的增益測(cè)量結(jié)果。這種綜合性的測(cè)量方案不僅提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,還增強(qiáng)了對(duì)設(shè)備性能評(píng)估的可靠性,從而為射頻工程中的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和優(yōu)化提供了強(qiáng)有力的支持。

通過(guò)集成硬件

簡(jiǎn)化設(shè)置和校準(zhǔn)


04

ENA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)增強(qiáng)的硬件集成,提供了更加靈活和高效的測(cè)量解決方案。它在端口1內(nèi)置了上變頻器,并在端口1和端口2配置了低噪聲接收機(jī)。這種設(shè)計(jì)不僅增加了測(cè)量的靈活性,還使得ENA-X能夠與低頻信號(hào)發(fā)生器(如Keysight MXG信號(hào)發(fā)生器)配對(duì)使用,支持高達(dá)44 GHz的測(cè)量需求。內(nèi)置的低噪聲接收機(jī)消除了對(duì)外部測(cè)試夾具的需求,簡(jiǎn)化了設(shè)置過(guò)程,并允許在雙向DUT測(cè)量中進(jìn)行更簡(jiǎn)便的噪聲系數(shù)校準(zhǔn)。

工程師只需一次性連接并校準(zhǔn)測(cè)試裝置,即可利用ENA-X完成一系列標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析測(cè)量以及采用冷源法的噪聲系數(shù)測(cè)量。由于內(nèi)部接收機(jī)具備低噪聲系數(shù)的特點(diǎn),ENA-X在網(wǎng)絡(luò)分析儀的噪聲系數(shù)測(cè)量靈敏度方面表現(xiàn)出色,特別是在30GHz以內(nèi)的頻段,其性能可媲美高性能的PNA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀,如圖5所示。這使得ENA-X成為追求高精度、高效能測(cè)量的理想選擇,尤其適用于需要細(xì)致評(píng)估LNA和其他射頻組件的應(yīng)用場(chǎng)景。


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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)置不僅會(huì)延長(zhǎng)驗(yàn)證周期的時(shí)間,還會(huì)引入額外的潛在誤差源。測(cè)試儀器本身的信號(hào)質(zhì)量直接影響到系統(tǒng)的殘余誤差矢量幅度(EVM),即所謂的殘余EVM。盡管這種固有的誤差在早期通信系統(tǒng)中被認(rèn)為是可接受的,但如今的毫米波傳輸系統(tǒng)要求更為精確的測(cè)量,以確保其性能符合嚴(yán)格的EVM標(biāo)準(zhǔn)(例如256 QAM要求3.5%,1024 QAM要求1%)。ENA-X通過(guò)提供擴(kuò)展的軟件應(yīng)用功能,實(shí)現(xiàn)了頻譜和信號(hào)分析能力的增強(qiáng)。這使得在同一套用于連續(xù)波(CW)和雙音測(cè)試的設(shè)置上,也能進(jìn)行全矢量校正的調(diào)制信號(hào)EVM和ACPR測(cè)量。

ENA-X利用是德科技的頻譜相關(guān)技術(shù),直接在頻域中分析調(diào)制輸入和輸出信號(hào),從而簡(jiǎn)化了復(fù)雜調(diào)制信號(hào)的評(píng)估過(guò)程。此外,ENA-X的接收機(jī)直接接入功能為工程師提供了更大的靈活性,允許將增壓放大器或定向耦合器環(huán)路集成到測(cè)試系統(tǒng)中,同時(shí)保持入射調(diào)制信號(hào)的質(zhì)量,并支持VNA內(nèi)部接收機(jī)的校準(zhǔn)。這種方式不僅提高了測(cè)試效率,還確保了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,使得ENA-X成為現(xiàn)代高性能通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證的理想選擇。

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