基于網(wǎng)絡(luò)分析儀提高低噪聲放大器的測量精度

1. 低噪聲放大器的特點和應(yīng)用

LNA主要用于微弱信號的放大，放大天線從空中接收到的微弱信號，降低噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)。對LNA的主要要求是：小的噪聲系數(shù)(NF)，即LNA本身產(chǎn)生的噪聲功率小，噪聲是限制微弱信號檢測的基本因素， 任何微弱的信號理論上都可以經(jīng)過LNA放大后被檢測到，因此檢測能力取決于信號噪聲比；高的增益，具有較好平坦度的高增益不僅可以有效地放大信號，而且可以減小下級噪聲的影響；大的動態(tài)范圍，以給輸入信號一個變化的范圍而不產(chǎn)生失真；與信號源很好地匹配，在此LNA前端通常是射頻無源濾波器，這種濾波器的傳輸特性對其負載敏感,因此需要有優(yōu)異的輸入輸出反射損耗，另外LNA的非線性引起的三階交調(diào)失真也是一個重要的指標。

LNA廣泛應(yīng)用于微波通信、微波測量、雷達等接收系統(tǒng)，是接收機電路中的第一個有源電路，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電壓信號進行放大。作用距離遠、覆蓋范圍大以及失真小等都已成為Radar, E/W, Satellite和GPS系統(tǒng)的普遍追求，這就對系統(tǒng)的接收靈敏度提出了更高的要求，我們知道，系統(tǒng)接收靈敏度的計算公式如下：

由上式可見，在各種特定（帶寬、解調(diào)S/N已定）的無線通訊系統(tǒng)中，能有效提高靈敏度的關(guān)鍵因素就是降低接收機的噪聲系數(shù)NF，而決定接收機的噪聲系數(shù)的關(guān)鍵部件就是處于接收機最前端的LNA，所以如何精準的測量LNA的各種指標參數(shù)是尤為重要的。

2. 校準原理

校準的目的是為了消除測試系統(tǒng)中存在的系統(tǒng)誤差。必須認識到校準本身也是一種測試過程，即用網(wǎng)絡(luò)分析儀對已知高精度參數(shù)的標準校準件進行測量，網(wǎng)絡(luò)分析儀測試的結(jié)果與系統(tǒng)中存儲的校準件參數(shù)數(shù)據(jù)進行比對，兩組數(shù)據(jù)之間必然存在誤差，這些誤差是由于網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)誤差所引起，從而獲取網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)誤差。這些誤差在后續(xù)的測量過程中將被消除掉，最終得到被測器件的測量結(jié)果。

校準的基本類型有單端口校準，雙端口校準，歸一化校準還有今年剛剛推出的增強型響應(yīng)校準（Enhanced Response Calibration）。對于放大器測量，我們常常需要測量正向增益，輸入端損耗，輸出端損耗和反向隔離度，因此需要雙端口校準。雙端口誤差模型如下：

圖1 前向誤差模型

圖2 反向誤差模型

以上12項系統(tǒng)誤差，通過雙端口校準可以獲得。校準后，對被測件進行測量，測量過程得到四個測量S參數(shù)S11m,S21m,S12m和S22m�；�于圖3所示的四個雙端口誤差修正公式，消除12項系統(tǒng)誤差，最終計算出實際需要的被測件的四個S參數(shù)S11a,S21a,S12a和S22a。

圖3 雙端口校準誤差修正公式（略）

圖3四個公式簡化為：

S11a=f(S11m,S21m,S12m,S22m，E12) S21a= f(S11m,S21m,S12m,S22m, E12)
S22a=f(S11m,S21m,S12m,S22m，E12) S12a= f(S11m,S21m,S12m,S22m, E12)
注：E12代表12項系統(tǒng)誤差，S參數(shù)下標a為Actual實際值, m為Measure測量值。

結(jié)論：每個實際S參數(shù)是四個測試S參數(shù)和12項系統(tǒng)誤差的函數(shù)。因此，要想獲得高精度的S參數(shù)測量結(jié)果，必須保證四個測試S參數(shù)的測量精度和12項系統(tǒng)誤差的準確度。

3. 網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

要想獲取高精度的測量結(jié)果，必須非常清楚地理解網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。安捷倫最新的網(wǎng)絡(luò)分析儀PNA-X的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示

圖4 網(wǎng)絡(luò)分析儀的結(jié)構(gòu)圖