如何通过低噪声放大器(LNA)提升接收机的灵敏度呢？

很多应用场景都会用到低噪声放大器(LNA)，包括无线通信、传感器网络、导航卫星和射电望远镜等。LNA在放大低功率信号的同时，也会影响系统信噪比 (SNR)。除了增益和线性度等常见放大器考虑因素之外，LNA 还必须具有低噪声系数性能，以保持信号质量和系统灵敏度。

LNA的性能对接收机质量和可靠性的影响比任何其他部件都大，对于蜂窝终端设备、基站、无线局域网 (Wi-Fi) 以及航空和卫星通信系统至关重要。

工程师通过优化LNA的噪声系数、增益和线性度来提升接收机的灵敏度，从而实现所需的信号质量和覆盖范围。

噪声系数测量

01

LNA 通常占据接收机链路的第一级，从而确定了系统链路预算、噪声系数和接收机的最小可检测信号。由于放大器有源电路的影响，低噪声放大器会产生一些噪声，噪声系数就是表征放大器产生的噪声。根据噪声系数的 Friis 公式，第一级放大的噪声系数F1确定了整个接收机的最小噪声系数。

图1. 总接收机噪声系数 FTotal考虑了每级的噪声系数 FN和增益 GN

噪声系数描述了系统中存在的超额噪声量。降低噪声系数可减少噪声导致的系统损伤。过多的噪音会降低信号质量，如同电视广播或手机通话中的静电干扰。在雷达或通信应用中，接收机噪声限制了系统的有效覆盖范围。

系统设计人员通过增加信号功率或降低噪声来优化整个系统的信噪比。开发人员可以使用更强大的部件来增加发射信号功率，或者最大限度地减少发射机和接收机之间的路径损耗。而改善接收机的噪声系数则是优化 SNR 最简单且最具成本效益的方法。

传统上，工程师使用 Y 因子法来测量噪声系数，如图 2 所示。Y 因子法测试系统包括已校准的噪声源、专门设计的噪声开关、具有良好输出匹配的衰减器，以及频谱分析仪或噪声系数分析仪。当噪声二极管关断时，噪声源对DUT呈现室温（冷态）端接。

在反向偏置期间，二极管会发生雪崩击穿，产生相当大的噪声，这种额外噪声描述为超噪比(ENR)。使用噪声源在 DUT 输出端进行两次噪声功率测量，然后使用两次测量的比率（称为 Y 因子）来计算噪声系数。

图2. Y 因子法的图示

基于测试仪器的限制，在使用 Y 因子法进行噪声系数测量时，必须在热测量和冷测量期间假设噪声源匹配 50 欧姆。此外，由于传统的测试设置无法纠正 DUT 输入处的不匹配，因此随着 DUT 的匹配变差，精度也会降低。这些测试装置的限制会给使用 Y 因子法获取的噪声系数数据带来很大的不确定性。

增益和

线性度测量

02

S 参数测量是射频网络的基本测量，用于描述LNA的线性行为，即正向增益、反向隔离以及输入或输出匹配。如果放大器呈线性，则无论输入功率如何，S 参数都保持恒定。然而，全面可靠的放大器评估还必须应对其非线性特性。

失真效应严重影响信号质量，尤其是放大器引起的非线性失真。带内失真的影响需要引起特别关注，因为滤波被证明对此是无效的。图 3 中定义的误差矢量幅度 (EVM)被视为带内失真的重要指标。

WiFi和5G NR等通信标准设置了可接受的最低EVM要求。随着标准严格性的提高，准确获取和优化 LNA 线性度和 EVM 的需求也随之增加。

图3. EVM 是测量信号与理想参考信号的矢量差随时间变化的均方根 (RMS)

典型连续波 (CW) 和双音测试的首选工具是矢量网络分析仪 (VNA)。现代通信标准则需要对宽带信号的复杂调制进行测试。

传统测试宽带调制信号失真（EVM、ACPR等）性能会用到信号分析仪和信号发生器。在不同的测试设置之间切换以完成增益和线性度等测量不仅浪费宝贵的测试时间，还会增加其间关联结果的复杂性。此外，在信号分析仪上进行EVM 测量所需的外部测试夹具（例如衰减器或升压放大器）会带来更多的测量不确定性。

单次设置，

完成多项测量

03

ENA-X 网络分析仪平台可帮助工程师更快地开发和验证LNA。ENA-X 包括集成的低噪声接收机、调制失真分析和全矢量校正功能，以消除单个测试设置中的输入端口失配、通道功率和源误差影响。ENA-X 采用定制MMIC设计，为开发人员提供更高的测量精度和可重复的结果。RF 开发人员只需连接并校准一次测试装置即可完成全部测量。

网络分析仪技术的进步使工程师能够使用冷源法进行完全校准的噪声系数测量，如图 4 所示。ENA-X还能完成EVM和ACPR测量。除了简化测试设置之外，网络分析仪的测量方法和技术有助于获得更准确的测量结果。

图4. 冷源法的图示

冷源法可替代 Y 因子法，提供更先进的误差校正，从而实现更高精度的测量。工程师在待测件的输入端进行冷端接以测量噪声功率。测量的噪声包括放大的输入噪声和 LNA 产生的噪声。作为整体噪声系数测量的一部分，VNA可以同时测得DUT的S参数和增益。VNA自动从测量中减去放大的输入噪声，仅留下 DUT 产生的噪声，据此计算噪声系数。

与 Y 因子法一样，冷源法需要校准来表征测试仪器噪声接收机的噪声系数和增益。冷源法仅在校准期间需要噪声源（或功率计），而不是整个DUT测量期间。

通过使用 VNA采用冷源法测量噪声系数，工程师可以获得 LNA 的全矢量校正的噪声参数。该数据可以准确分析 DUT 在 50 欧姆时的噪声系数。此外，网络分析仪通过全矢量校正提供更高精度的增益测量。

通过集成硬件

简化设置和校准

04

ENA-X 网络分析仪提供增强的硬件集成，包括端口 1 的内置上变频器以及端口 1 和 2的低噪声接收机。这些集成提供了更大的测量灵活性。上变频器使 ENA-X 能够与低频信号发生器（例如 Keysight MXG 信号发生器）配对，进行高达 44 GHz 的测量。两个集成的低噪声接收机无需额外测试夹具并能使 ENA-X在双向进行DUT测量，从而简化噪声系数校准。只需连接和校准测试装置一次，工程师就可以完成标准网络分析测量，以及冷源法噪声系数的测量。

ENA-X 内部接收机的低噪声系数有助于提高噪声系数测量灵敏度。这使得 ENA-X 的噪声系数测量在30GHz以内的频段毫不逊于高性能 PNA-X 网络分析仪，如图 5 所示。

图5. ENA-X 与PNA-X的噪声系数性能对比

使用调制失真分析软件

进行线性度测试

05

多种不同的测试设置会延长验证周期时间并引入额外的潜在误差。测试仪器的信号质量影响着测试系统的误差矢量幅度 (EVM) — 称为残余 EVM。虽然这种固有误差在以前的通信系统中是可以接受的，但当今的毫米波传输系统需要更精确的测量来验证其性能符合严格的 EVM 要求（256 QAM 为 3.5%，1024 QAM 为 1%）。

ENA-X 提供扩展的软件应用功能，可实现频谱和信号分析。此功能使得完全矢量校正的调制信号 EVM 和 ACPR 测量可在用于 CW 和双音测试的同一设置上进行。ENA-X 采用是德科技频谱相关技术来直接分析频域中的调制输入和输出信号。

ENA-X 的接收机直接接入功能为工程师提供了更大的测试灵活性，能够将增压放大器或定向耦合器环路嵌入测试系统，同时保持入射调制信号的质量，并进行VNA内部接收机校准。

审核编辑：刘清