如何通過低噪聲放大器(LNA)提升接收機的靈敏度呢？

很多應用場景都會用到低噪聲放大器(LNA)，包括無線通信、傳感器網絡、導航衛星和射電望遠鏡等。LNA在放大低功率信號的同時，也會影響系統信噪比 (SNR)。除了增益和線性度等常見放大器考慮因素之外，LNA 還必須具有低噪聲系數性能，以保持信號質量和系統靈敏度。

LNA的性能對接收機質量和可靠性的影響比任何其他部件都大，對于蜂窩終端設備、基站、無線局域網 (Wi-Fi) 以及航空和衛星通信系統至關重要。

工程師通過優化LNA的噪聲系數、增益和線性度來提升接收機的靈敏度，從而實現所需的信號質量和覆蓋范圍。

噪聲系數測量

01

LNA 通常占據接收機鏈路的第一級，從而確定了系統鏈路預算、噪聲系數和接收機的最小可檢測信號。由于放大器有源電路的影響，低噪聲放大器會產生一些噪聲，噪聲系數就是表征放大器產生的噪聲。根據噪聲系數的 Friis 公式，第一級放大的噪聲系數F1確定了整個接收機的最小噪聲系數。

圖1. 總接收機噪聲系數 FTotal考慮了每級的噪聲系數 FN和增益 GN

噪聲系數描述了系統中存在的超額噪聲量。降低噪聲系數可減少噪聲導致的系統損傷。過多的噪音會降低信號質量，如同電視廣播或手機通話中的靜電干擾。在雷達或通信應用中，接收機噪聲限制了系統的有效覆蓋范圍。

系統設計人員通過增加信號功率或降低噪聲來優化整個系統的信噪比。開發人員可以使用更強大的部件來增加發射信號功率，或者最大限度地減少發射機和接收機之間的路徑損耗。而改善接收機的噪聲系數則是優化 SNR 最簡單且最具成本效益的方法。

傳統上，工程師使用 Y 因子法來測量噪聲系數，如圖 2 所示。Y 因子法測試系統包括已校準的噪聲源、專門設計的噪聲開關、具有良好輸出匹配的衰減器，以及頻譜分析儀或噪聲系數分析儀。當噪聲二極管關斷時，噪聲源對DUT呈現室溫（冷態）端接。

在反向偏置期間，二極管會發生雪崩擊穿，產生相當大的噪聲，這種額外噪聲描述為超噪比(ENR)。使用噪聲源在 DUT 輸出端進行兩次噪聲功率測量，然后使用兩次測量的比率（稱為 Y 因子）來計算噪聲系數。

圖2. Y 因子法的圖示

基于測試儀器的限制，在使用 Y 因子法進行噪聲系數測量時，必須在熱測量和冷測量期間假設噪聲源匹配 50 歐姆。此外，由于傳統的測試設置無法糾正 DUT 輸入處的不匹配，因此隨著 DUT 的匹配變差，精度也會降低。這些測試裝置的限制會給使用 Y 因子法獲取的噪聲系數數據帶來很大的不確定性。

增益和

線性度測量

02

S 參數測量是射頻網絡的基本測量，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，則無論輸入功率如何，S 參數都保持恒定。然而，全面可靠的放大器評估還必須應對其非線性特性。

失真效應嚴重影響信號質量，尤其是放大器引起的非線性失真。帶內失真的影響需要引起特別關注，因為濾波被證明對此是無效的。圖 3 中定義的誤差矢量幅度 (EVM)被視為帶內失真的重要指標。

WiFi和5G NR等通信標準設置了可接受的最低EVM要求。隨著標準嚴格性的提高，準確獲取和優化 LNA 線性度和 EVM 的需求也隨之增加。

圖3. EVM 是測量信號與理想參考信號的矢量差隨時間變化的均方根 (RMS)

典型連續波 (CW) 和雙音測試的首選工具是矢量網絡分析儀 (VNA)?，F代通信標準則需要對寬帶信號的復雜調制進行測試。

傳統測試寬帶調制信號失真（EVM、ACPR等）性能會用到信號分析儀和信號發生器。在不同的測試設置之間切換以完成增益和線性度等測量不僅浪費寶貴的測試時間，還會增加其間關聯結果的復雜性。此外，在信號分析儀上進行EVM 測量所需的外部測試夾具（例如衰減器或升壓放大器）會帶來更多的測量不確定性。

單次設置，

完成多項測量

03

ENA-X 網絡分析儀平臺可幫助工程師更快地開發和驗證LNA。ENA-X 包括集成的低噪聲接收機、調制失真分析和全矢量校正功能，以消除單個測試設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設計，為開發人員提供更高的測量精度和可重復的結果。RF 開發人員只需連接并校準一次測試裝置即可完成全部測量。

網絡分析儀技術的進步使工程師能夠使用冷源法進行完全校準的噪聲系數測量，如圖 4 所示。ENA-X還能完成EVM和ACPR測量。除了簡化測試設置之外，網絡分析儀的測量方法和技術有助于獲得更準確的測量結果。

圖4. 冷源法的圖示

冷源法可替代 Y 因子法，提供更先進的誤差校正，從而實現更高精度的測量。工程師在待測件的輸入端進行冷端接以測量噪聲功率。測量的噪聲包括放大的輸入噪聲和 LNA 產生的噪聲。作為整體噪聲系數測量的一部分，VNA可以同時測得DUT的S參數和增益。VNA自動從測量中減去放大的輸入噪聲，僅留下 DUT 產生的噪聲，據此計算噪聲系數。

與 Y 因子法一樣，冷源法需要校準來表征測試儀器噪聲接收機的噪聲系數和增益。冷源法僅在校準期間需要噪聲源（或功率計），而不是整個DUT測量期間。

通過使用 VNA采用冷源法測量噪聲系數，工程師可以獲得 LNA 的全矢量校正的噪聲參數。該數據可以準確分析 DUT 在 50 歐姆時的噪聲系數。此外，網絡分析儀通過全矢量校正提供更高精度的增益測量。

通過集成硬件

簡化設置和校準

04

ENA-X 網絡分析儀提供增強的硬件集成，包括端口 1 的內置上變頻器以及端口 1 和 2的低噪聲接收機。這些集成提供了更大的測量靈活性。上變頻器使 ENA-X 能夠與低頻信號發生器（例如 Keysight MXG 信號發生器）配對，進行高達 44 GHz 的測量。兩個集成的低噪聲接收機無需額外測試夾具并能使 ENA-X在雙向進行DUT測量，從而簡化噪聲系數校準。只需連接和校準測試裝置一次，工程師就可以完成標準網絡分析測量，以及冷源法噪聲系數的測量。

ENA-X 內部接收機的低噪聲系數有助于提高噪聲系數測量靈敏度。這使得 ENA-X 的噪聲系數測量在30GHz以內的頻段毫不遜于高性能 PNA-X 網絡分析儀，如圖 5 所示。

圖5. ENA-X 與PNA-X的噪聲系數性能對比

使用調制失真分析軟件

進行線性度測試

05

多種不同的測試設置會延長驗證周期時間并引入額外的潛在誤差。測試儀器的信號質量影響著測試系統的誤差矢量幅度 (EVM) — 稱為殘余 EVM。雖然這種固有誤差在以前的通信系統中是可以接受的，但當今的毫米波傳輸系統需要更精確的測量來驗證其性能符合嚴格的 EVM 要求（256 QAM 為 3.5%，1024 QAM 為 1%）。

ENA-X 提供擴展的軟件應用功能，可實現頻譜和信號分析。此功能使得完全矢量校正的調制信號 EVM 和 ACPR 測量可在用于 CW 和雙音測試的同一設置上進行。ENA-X 采用是德科技頻譜相關技術來直接分析頻域中的調制輸入和輸出信號。

ENA-X 的接收機直接接入功能為工程師提供了更大的測試靈活性，能夠將增壓放大器或定向耦合器環路嵌入測試系統，同時保持入射調制信號的質量，并進行VNA內部接收機校準。

審核編輯：劉清