【導讀】很多應用場(chǎng)景都會(huì )用到低噪聲放大器(LNA)，包括無(wú)線(xiàn)通信、傳感器網(wǎng)絡(luò )、導航衛星和射電望遠鏡等。LNA在放大低功率信號的同時(shí)，也會(huì )影響系統信噪比 (SNR)。除了增益和線(xiàn)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性能，以保持信號質(zhì)量和系統靈敏度。
很多應用場(chǎng)景都會(huì )用到低噪聲放大器(LNA)，包括無(wú)線(xiàn)通信、傳感器網(wǎng)絡(luò )、導航衛星和射電望遠鏡等。LNA在放大低功率信號的同時(shí)，也會(huì )影響系統信噪比 (SNR)。除了增益和線(xiàn)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性能，以保持信號質(zhì)量和系統靈敏度。
LNA的性能對接收機質(zhì)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(wú)線(xiàn)局域網(wǎng) (Wi-Fi) 以及航空和衛星通信系統至關(guān)重要。
工程師通過(guò)優(yōu)化LNA的噪聲系數、增益和線(xiàn)性度來(lái)提升接收機的靈敏度，從而實(shí)現所需的信號質(zhì)量和覆蓋范圍。
噪聲系數測量
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(huì )產(chǎn)生一些噪聲，噪聲系數就是表征放大器產(chǎn)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(gè)接收機的最小噪聲系數。
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(guò)多的噪音會(huì )降低信號質(zhì)量，如同電視廣播或手機通話(huà)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(guò)增加信號功率或降低噪聲來(lái)優(yōu)化整個(gè)系統的信噪比。開(kāi)發(fā)人員可以使用更強大的部件來(lái)增加發(fā)射信號功率，或者最大限度地減少發(fā)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(yōu)化 SNR 最簡(jiǎn)單且最具成本效益的方法。
傳統上，工程師使用 Y 因子法來(lái)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(zhuān)門(mén)設計的噪聲開(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分析儀。當噪聲二極管關(guān)斷時(shí)，噪聲源對DUT呈現室溫（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)行兩次噪聲功率測量，然后使用兩次測量的比率（稱(chēng)為 Y 因子）來(lái)計算噪聲系數。
基于測試儀器的限制，在使用 Y 因子法進(jìn)行噪聲系數測量時(shí)，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(wú)法糾正 DUT 輸入處的不匹配，因此隨著(zhù) DUT 的匹配變差，精度也會(huì )降低。這些測試裝置的限制會(huì )給使用 Y 因子法獲取的噪聲系數數據帶來(lái)很大的不確定性。
增益和線(xiàn)性度測量
S 參數測量是射頻網(wǎng)絡(luò )的基本測量，用于描述LNA的線(xiàn)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(xiàn)性，則無(wú)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(xiàn)性特性。
失真效應嚴重影響信號質(zhì)量，尤其是放大器引起的非線(xiàn)性失真。帶內失真的影響需要引起特別關(guān)注，因為濾波被證明對此是無(wú)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(zhù)標準嚴格性的提高，準確獲取和優(yōu)化 LNA 線(xiàn)性度和 EVM 的需求也隨之增加。
典型連續波 (CW) 和雙音測試的首選工具是矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀 (VNA)?，F代通信標準則需要對寬帶信號的復雜調制進(jìn)行測試。
傳統測試寬帶調制信號失真（EVM、ACPR等）性能會(huì )用到信號分析儀和信號發(fā)生器。在不同的測試設置之間切換以完成增益和線(xiàn)性度等測量不僅浪費寶貴的測試時(shí)間，還會(huì )增加其間關(guān)聯(lián)結果的復雜性。此外，在信號分析儀上進(jìn)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(huì )帶來(lái)更多的測量不確定性。
單次設置，完成多項測量
ENA-X 網(wǎng)絡(luò )分析儀平臺可幫助工程師更快地開(kāi)發(fā)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(gè)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(kāi)發(fā)人員提供更高的測量精度和可重復的結果。RF 開(kāi)發(fā)人員只需連接并校準一次測試裝置即可完成全部測量。
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(jiǎn)化測試設置之外，網(wǎng)絡(luò )分析儀的測量方法和技術(shù)有助于獲得更準確的測量結果。
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)現更高精度的測量。工程師在待測件的輸入端進(jìn)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(chǎn)生的噪聲。作為整體噪聲系數測量的一部分，VNA可以同時(shí)測得DUT的S參數和增益。VNA自動(dòng)從測量中減去放大的輸入噪聲，僅留下 DUT 產(chǎn)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(lái)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(gè)DUT測量期間。
通過(guò)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(shí)的噪聲系數。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量。
通過(guò)集成硬件簡(jiǎn)化設置和校準
ENA-X 網(wǎng)絡(luò )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(fā)生器（例如 Keysight MXG 信號發(fā)生器）配對，進(jìn)行高達 44 GHz 的測量。兩個(gè)集成的低噪聲接收機無(wú)需額外測試夾具并能使 ENA-X在雙向進(jìn)行DUT測量，從而簡(jiǎn)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(wǎng)絡(luò )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?xún)鹊念l段毫不遜于高性能 PNA-X 網(wǎng)絡(luò )分析儀，如圖 5 所示。
使用調制失真分析軟件進(jìn)行線(xiàn)性度測試
多種不同的測試設置會(huì )延長(cháng)驗證周期時(shí)間并引入額外的潛在誤差。測試儀器的信號質(zhì)量影響著(zhù)測試系統的誤差矢量幅度 (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(lái)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(shí)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(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(huán)路嵌入測試系統，同時(shí)保持入射調制信號的質(zhì)量，并進(jìn)行VNA內部接收機校準。
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