简述微波放大器的类型

这是一篇从应用的角度对微波放大器进行的无复杂数学公式的放大器应用普及介绍，旨在帮助射频系统总体工程师在系统设计选型时选择合适的放大器。

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微波放大器的类型：**

微波放大器有很多种分类方法，但我们将根据它们在通用超外差接收机中的作用将其分为四类（如上所示）。 线性放大器、功率放大器、低噪声放大器、驱动放大器 。上述系统可以代表蜂窝、回程、卫星或其他无线电通信链路；也可以代表雷达或其他成像系统。发射器可以单独代表干扰机或激励器，接收器可以单独代表电子战扫描仪或测试仪器。对于驱动放大器的选择要求，在大多数应用中往往都是一样的。

在这篇文章中，我们将讨论不同类型的放大器以及它们的作用。

1、低噪声放大器

关键词：增益、噪声系数、噪声因素、噪声温度

低噪声放大器是最容易理解的微波放大器，因为较低的输入功率导致放大器中的非线性效应相对较小。它被设计成用于接收极低电平的信号，比如你在有损传输介质末端看到的信号，并以最小的附加噪声对其进行放大。需要注意的是，除了附加噪声外，噪声还与信号相同的增益放大。这也就意味着低噪声放大器或任何其他放大器不能提高信噪比（SNR），它只能提高信号和噪声的功率水平。如果增益为窄带，放大器可能会过滤一些带外噪声或信号，但由于带内噪声，也无法提高信噪比。

如果信噪比没有提高，那为什么还要费心放大呢？原因是接收机中的级联有损耗，而该损耗也同样适用于信号和噪声。如果噪声水平已经远高于噪声下限，则损耗不会显著降低信号的信噪比。因此，LNA的噪声系数通常主导整个接收机链的噪声系数。最终，信号链末端的信号检测器（在现代系统中通常是模数转换器（ADC））具有可检测的电压范围，接收器设计者将在整个接收器链中使用放大器级，使接收到的信号功率能够与ADC的可检测电压范围相匹配，从而检测到相关信号。

低噪声放大器通常是窄带的，或者至少是对带宽有限制的设备。通常为了优化放大器中晶体管的噪声系数，就要创建一个窄带匹配网络。现代低噪声放大器可以在低噪声系数下获得极高的增益，例如在低频噪声系数小于1dB的情况下可获得高达40dB的增益。

2、功率放大器

关键词：输出功率（Psat, P1dB）、效率、非线性（IP2、IP3、频谱再生）

功率放大器与低噪声放大器相反，接收的是已经处于相对较高水平的信号，并将其增强，以便通过空气等有损介质进行传输。虽然功率放大器的增益通常较低（比如小于10 dB），但功率在绝对值上是显著的（即，500毫瓦的输入可以提高到几瓦）。PA的饱和输出功率（Psat）在很大程度上决定了无线系统可实现的传输/检测距离的物理范围。

饱和输出功率是功率放大器最重要的参数，而效率与之密切相关。效率决定了便携式应用的电池寿命、机载/卫星应用的传输功率以及所有应用的散热要求。许多收发器中的大部分功率被用于最后的功率放大器。

由于PA输出的信号和噪声都会被传输介质严重衰减，因此噪声系数并不重要。老式的频率/相位传输格式，如调频（FM）、频移键控（FSK）、二进制相移键控（BPSK）和其他使用恒定振幅的信号，这意味着功率放大器非线性不是信号质量的一个重要因素。这也是必然的，因为当时的管放大器具有很强的非线性。现代通信格式，如正交幅度调制（QAM）、正交频分复用（OFDM）、码分多址（CDMA）和大多数其他通信格式都使用幅度和相位调制，因此需要线性放大。而且许多应用还需要同时放大多个不相关的通道。

放大器的这种非线性行为以多种方式描述，并最终表现为信号质量下降和相邻信道中受限制的信号泄漏，用相邻信道功率比（ACPR）来描述。要求放大器同时放大功率峰值大且不可预测的信号，往往会加剧这些影响。这种信号特性由信号峰均功率比（PAPR）来描述，现代信号的峰均功率比远高于以前的信号。

3、线性放大器

关键词：非线性（IP2、IP3、频谱再生）、噪声系数、适用性

线性放大器是一种通用放大器，有时被称为“增益块”，在系统中提供信号增益。由于它们不是系统的输入或输出，因此它们通常不是系统动态范围内的决定因素。功率水平高于LNA，但低于PA。因此这是权衡了线性度、噪声系数成本、尺寸和功耗的放大器选择。虽然对线性放大器的要求并不严格，但它们不得以任何显著方式降低信号。这些放大器从来都不是系统中的重要组成部分，但同时也影响着整个系统。

4、驱动放大器

关键词：饱和功率、相位噪声、效率、谐波

驱动放大器专门用于单频（连续波CW）操作，如在合成器中或作为驱动混频器的本地振荡器（LO）的放大器。在消费类应用中，驱动放大器的作用通常作为CMOS电路集成到收发器芯片中。然而，在高端电子战、仪器、测试和测量应用中，这些放大器并不能提供最大的系统性能。

由于这些放大器专门用于放大CW信号，因此没有多音输入的情况下，放大器在多音互调方面的非线性是不存在的。相反地，非线性的重要表现是谐波的产生。在某些应用中，在使用放大器驱动混频器之前，谐波的减少或过滤是关键，因为它们会降低混频器的杂散性能。而在其他情况下，谐波实际上是改善了杂散性能。一般来说，如果谐波被过滤，带宽小于一倍频程的驱动放大器都可以在Psat附近运行，因为所有失真都将在2f或更高频率产生。

与多音互调一样，只要信号源的噪声不太高，并且后续电路（如混频器的LO-IF或LO-RF隔离）的噪声抑制足够高，从而消除振幅噪声，那么驱动放大器的噪声系数就不重要。与振幅噪声相反，放大器中信号中添加的任何相位噪声（或发生的振幅噪声到相位噪声转换）将直接降低雷达信号或相位控制通信信号的信号完整性。这对于QAM信号来说尤其是一个严重的问题。与谐波含量类似，商用放大器的相位噪声也几乎从未被要求。

由于这些放大器需要产生比信号本身至少高6-10 dB的LO信号，因此它们需要比系统中的线性信号放大器更高的功率。类似地，在超外差系统中，尤其是在多通道超外差系统中，存在多个这样的放大器，因此它们可能是接收器中最大的功耗器件。因此，效率对于驱动放大器来说非常重要。