低噪聲放大器在電磁環(huán)境測(cè)試工程中的應(yīng)用

低噪聲放大器（LNA）廣泛應(yīng)用于微波通信、微波測(cè)量、雷達(dá)等接收系統(tǒng)，是接收機(jī)電路中的第一個(gè)有源電路，輸入端接RF濾波器，輸出端接鏡像抑制濾波器或直接連接混頻器，其主要功能是將來自天線的微伏級(jí)電壓信號(hào)進(jìn)行放大。低噪聲放大器在電磁環(huán)境測(cè)試工程中有很大的應(yīng)用價(jià)值。

1 電磁環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)組成及靈敏度要求

電磁環(huán)境測(cè)試是確保各類無線電業(yè)務(wù)正常工作必不可少的環(huán)節(jié)，是有效、合理、經(jīng)濟(jì)地使用有限無線電頻譜資源的技術(shù)措施，也是維護(hù)空中電波秩序、兼容各類無線電業(yè)務(wù)的保證。

電磁環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)一般由天線、饋線、頻譜分析儀、打印機(jī)、電源以及GPS、羅盤等組成。測(cè)試系統(tǒng)靈敏度是否滿足測(cè)試要求，是電磁環(huán)境測(cè)試首要考慮的問題。電磁環(huán)境測(cè)試要求測(cè)試系統(tǒng)噪聲電平（反映在頻譜儀上即底噪電平）比擬上系統(tǒng)的允許干擾電平低10dB。測(cè)試靈敏度要求較高的測(cè)試任務(wù)，通常需要在測(cè)試系統(tǒng)中加入低噪聲放大器，放大天線端信號(hào)，提升測(cè)試系統(tǒng)靈敏度。但在實(shí)際測(cè)試中，放大器同時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多假信號(hào)，對(duì)正常信號(hào)的捕捉以及測(cè)試結(jié)果分析造成不利影響。針對(duì)這一問題，本文將結(jié)合放大器的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)假信號(hào)產(chǎn)生的原因及消除辦法進(jìn)行分析探討。

2 低噪聲放大器主要指標(biāo)介紹

低噪聲放大器主要指標(biāo)有噪聲系數(shù)、噪聲溫度、動(dòng)態(tài)范圍、增益、增益平坦度、工作頻帶、線性度等。

噪聲系數(shù)與噪聲溫度是表征放大器噪聲的指標(biāo)。噪聲系數(shù)定義為放大器輸入、輸出端的信噪比之比。它的物理意義是：信號(hào)通過放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變壞，信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。放大器的噪聲系數(shù)Nf與諸多因素有關(guān)，如固態(tài)器件自身的噪聲（包括熱噪聲、閃爍噪聲及溝道噪聲）、電路中的損耗、外加偏壓等。隨著晶體管工藝技術(shù)的進(jìn)步，低噪聲放大器的噪聲系數(shù)越來越小，用噪聲系數(shù)表征方法很不方便，因此改用噪聲溫度的表示方法。噪聲溫度Tc與噪聲系數(shù)Nf的關(guān)系為Tc=To(Nf-1)。

動(dòng)態(tài)范圍是指低噪聲放大器輸入信號(hào)允許的最小功率和最大功率的范圍。放大器動(dòng)態(tài)范圍上限受非線性指標(biāo)的限制，基本取決于末級(jí)放大器的功率容量，下限基本取決于放大器的噪聲系數(shù)。

放大器的增益是指通過放大器放大后的信號(hào)功率與輸入放大器功率的比值。物理含義是LNA對(duì)信號(hào)的放大倍數(shù)。

增益平坦度是指工作頻帶內(nèi)功率增益的起伏，通常用最高增益與最低增益之差來表示。

工作頻帶指放大器工作的fmin-fmax范圍，它不僅指功率增益滿足平坦度要求的頻率范圍，而且要求全頻帶內(nèi)噪聲滿足要求，并給出各頻率點(diǎn)的噪聲系數(shù)。低噪聲放大器的噪聲系數(shù)是其主要指標(biāo)，而在寬頻帶情況下難以獲得很低的噪聲系數(shù)，所以低噪聲放大器的工作頻帶不太寬，一般為20％左右。

和所有器件一樣，放大器也有線性動(dòng)態(tài)范圍。在此動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，放大器的輸出功率隨輸入功率線性增加，稱為線性放大器，輸入輸出功率之比即為放大器功率增益。隨著輸入功率的繼續(xù)增大，放大器進(jìn)入非線性區(qū)，其輸出功率不再隨輸入功率的增加而線性增加。通常把增益下降到比線性增益低1 dB時(shí)的輸出功率值定義為輸出功率的1 dB壓縮點(diǎn)，用P-1 dB表示（見圖1）。

圖1 輸出功率示意圖

圖1中，O2為1dB壓縮點(diǎn)輸出功率，O3為飽和點(diǎn)功率。當(dāng)輸入功率大于G2后，放大器逐漸進(jìn)入飽和狀態(tài)，失去放大作用。

3 低噪聲放大器互調(diào)干擾產(chǎn)生原因及分析

在放大器各項(xiàng)指標(biāo)中，噪聲系數(shù)（噪聲溫度）和線性度指標(biāo)對(duì)電磁環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)影響最大。低噪聲放大器是接收天線以下第一個(gè)進(jìn)行信號(hào)處理的器件，甚至可以認(rèn)為L(zhǎng)NA的噪聲系數(shù)決定了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。盡管低噪聲放大器處于接收系統(tǒng)的前級(jí)，基本上工作于弱信號(hào)狀態(tài)，但高增益情況仍可能使放大器末級(jí)進(jìn)入非線性區(qū)，從而使信號(hào)各頻譜分量間產(chǎn)生交叉組合頻率，形成互調(diào)干擾。例如，非線性器件的輸入u(t)與輸出y(t)的關(guān)系是y(t)=u(t)+u2(t)，其中t是時(shí)間，當(dāng)輸入信號(hào)是包含頻率f1、f2的信號(hào)u(t)=cos2pf1t+cos2pf2t時(shí)，輸出y(t)中不僅包含輸入信號(hào)f1、f2,而且還會(huì)出現(xiàn)2f1、2f2、f1 f2等新的頻率成分,這些新的頻率稱為互調(diào)。

對(duì)于理想的放大器，輸出信號(hào)應(yīng)該僅與當(dāng)前輸入放大器信息有關(guān)，而且放大器的幅度增益和相位偏移不隨輸入信號(hào)和外部環(huán)境變化。實(shí)際的放大器通常使用半導(dǎo)體材料制成，不可避免地具有一定的非線性特征。同時(shí)，電磁環(huán)境測(cè)試使用的低噪聲放大器，其增益一般在30 dB以上，由于低噪聲器件的使用，其輸出P-1 dB壓縮點(diǎn)不超過＋10 dBm。在放大器P-1 dB壓縮點(diǎn)附近，其非線性已經(jīng)非常嚴(yán)重，三階互調(diào)一般在-10 dBc～-15 dBc。即使將輸出信號(hào)功率降低10 dB，其輸出P-1 dB壓縮點(diǎn)在0 dBm，即輸入信號(hào)功率在－30dBm左右時(shí)，按照輸出降低1 dB互調(diào)大約改善2 dB的規(guī)律，此時(shí)的三階互調(diào)也達(dá)到-30 dBc～-35 dBc。這就造成在測(cè)試頻譜圖中有很多互調(diào)信號(hào)存在（如圖2、圖3所示）。

圖2 低噪聲放大器引起的互調(diào)信號(hào)頻譜圖

圖3 低噪聲放大器引起的互調(diào)信號(hào)頻譜圖

由于目前城市環(huán)境中移動(dòng)通信基站和各種發(fā)射機(jī)密布，通常使用的寬帶低噪聲放大器在這種電磁環(huán)境中的輸入信號(hào)總功率往往可以達(dá)到-30 dBm以上，這樣的輸入信號(hào)強(qiáng)度將使低噪聲放大器的輸出級(jí)進(jìn)入嚴(yán)重的非線性工作區(qū)。如果低噪聲放大器的增益為40 dB，這個(gè)極限值還將降低10 dB左右，即輸入信號(hào)功率為-40 dBm左右，將使LNA進(jìn)入非線性工作區(qū)。因此，在電磁環(huán)境測(cè)試時(shí)選擇低噪聲放大器并不是其增益越高越好，只要測(cè)試系統(tǒng)靈敏度滿足要求，即便選擇增益較低的放大器，也可以有效減小互調(diào)信號(hào)對(duì)測(cè)試的影響。

4 消除低噪聲放大器互調(diào)干擾的辦法

對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)靈敏度要求較高的測(cè)試任務(wù)，在高增益放大器前端接入一個(gè)相應(yīng)頻率的帶通濾波器，可以有效降低放大器的測(cè)試帶外功率，使放大器遠(yuǎn)離非線性區(qū)，由非線性帶來的互調(diào)也隨之大幅降低甚至消失，使得帶內(nèi)測(cè)試的信號(hào)更加真實(shí)（如圖4、圖5所示）。

(圖4 不加濾波器的系統(tǒng)采集的851MHz～866MHz頻譜圖)

圖4是加放大器的測(cè)試系統(tǒng)采集的851 MHz～866 MHz頻譜圖，圖中本底噪聲起伏很大，且有很多互調(diào)產(chǎn)物。從圖中很難分辨出實(shí)際存在的信號(hào)和放大器產(chǎn)生的假信號(hào)。
　

　　(圖5 加帶通濾波器的低噪聲放大器測(cè)試效果圖)

圖5是圖4在同等測(cè)試條件下在放大器前端加上濾波器采集的851 MHz～866 MHz頻譜圖。圖中頻譜信號(hào)清楚明了，說明濾波器有效地消除了放大器產(chǎn)生的假信號(hào)。

目前適合在低噪聲放大器前使用的濾波器有聲表面濾波器、LC濾波器和腔體濾波器等，其特性各不相同。聲表面濾波器的帶外抑制好、體積小、重量輕，但帶內(nèi)插入損耗略大，一般在3 dB以上，并且頻率種類不多，帶寬也不大，一般常用于移動(dòng)通信頻段。

LC濾波器可以任意定制頻段，其插入損耗要優(yōu)于聲表面濾波器，一般在3 dB以下，但其溫度穩(wěn)定性稍差，并且受器件分布參數(shù)影響其頻率上限往往不超過2 GHz，Q值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他兩種濾波器，直接影響到其帶外抑制指標(biāo)。

腔體濾波器具有很高的Q值，帶外抑制也很好，插入損耗是這幾種濾波器中最小的，一般不會(huì)超過1.5 dB，并且可以工作在很高的頻率上，但其重量和體積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他幾種濾波器。

5 結(jié)論

在進(jìn)行電磁環(huán)境測(cè)試時(shí)，對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)靈敏度有較高要求的測(cè)試任務(wù)，通常需要在測(cè)試系統(tǒng)中加入低噪聲放大器，放大天線端信號(hào)，提升測(cè)試系統(tǒng)靈敏度。在選擇低噪聲放大器時(shí)并不是其增益越高越好，只要測(cè)試系統(tǒng)靈敏度滿足要求，選擇增益較低的放大器也可以有效減小互調(diào)信號(hào)對(duì)測(cè)試的影響。

當(dāng)測(cè)試位置電磁環(huán)境復(fù)雜，附近有大功率基站或進(jìn)行公網(wǎng)基站測(cè)試時(shí)，在使用低噪聲放大器時(shí)，應(yīng)在其前端加相應(yīng)頻段的濾波器，降低放大器的測(cè)試帶外功率，使放大器遠(yuǎn)離非線性區(qū)，以達(dá)到良好的測(cè)試效果。