在眾多應(yīng)用場景中，如無線通信、傳感器網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)航衛(wèi)星以及射電望遠鏡等，低噪聲放大器（LNA）扮演著不可或缺的角色。LNA在增強低功率信號的同時，對系統(tǒng)的信噪比（SNR）有著直接影響。除了關(guān)注增益和線性度這些普遍的放大器性能指標之外，LNA還必須具備卓越的低噪聲系數(shù)特性，以確保信號的高質(zhì)量傳輸及系統(tǒng)的高靈敏度。這樣，才能滿足各種精密應(yīng)用的需求，為無線通信等領(lǐng)域提供強有力的支持。

LNA的性能對接收機的質(zhì)量與可靠性具有最為關(guān)鍵的影響，尤其在蜂窩終端設(shè)備、基站、無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）以及航空和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中表現(xiàn)得尤為重要。

工程師們通過精心優(yōu)化LNA的噪聲系數(shù)、增益及線性度，來增強接收機的靈敏度，從而達到提升信號質(zhì)量和擴大覆蓋范圍的目的。這樣的優(yōu)化對于確保通信系統(tǒng)的高效運作至關(guān)重要。

噪聲系數(shù)測量

01

低噪聲放大器（LNA）通常位于接收機鏈路的最前端，這對于確定系統(tǒng)的鏈路預(yù)算、噪聲系數(shù)以及接收機能夠檢測到的最小信號至關(guān)重要。盡管LNA作為有源電路不可避免地會引入一定量的噪聲，但其性能優(yōu)劣主要是通過噪聲系數(shù)來衡量的，該系數(shù)反映了放大器所產(chǎn)生噪聲的程度。根據(jù)Friis公式關(guān)于噪聲系數(shù)的描述，第一級放大器的噪聲系數(shù)F1實際上決定了整個接收機的最小噪聲系數(shù)。因此，優(yōu)化LNA的設(shè)計以降低其噪聲系數(shù)，對于提升整體接收機性能具有關(guān)鍵意義。

圖1.總接收機噪聲系數(shù) FTotal考慮了每級的噪聲系數(shù) FN和增益 GN

噪聲系數(shù)衡量了系統(tǒng)中額外的、非信號相關(guān)的噪聲量。通過降低噪聲系數(shù)，可以減少噪聲對系統(tǒng)的負面影響，進而保護信號質(zhì)量不受損，避免如電視廣播或電話通話中出現(xiàn)的靜電干擾現(xiàn)象。在雷達和通信應(yīng)用方面，接收機自身的噪聲限制了系統(tǒng)有效工作的覆蓋范圍。為優(yōu)化整個系統(tǒng)的信噪比（SNR），系統(tǒng)設(shè)計者可以通過增加信號功率或者減少噪聲來達成目標。這包括使用更高效的組件以增強發(fā)射信號的功率，或是盡量減少從發(fā)射機到接收機之間的路徑損耗。然而，改善接收機的噪聲系數(shù)被公認為是提升SNR最直接且經(jīng)濟的方式。

傳統(tǒng)上，工程師采用Y因子法測量噪聲系數(shù)。此方法涉及一個校準過的噪聲源、專門配置的噪聲開關(guān)、具有良好輸出匹配特性的衰減器以及頻譜分析儀或噪聲系數(shù)分析儀。當噪聲二極管處于關(guān)閉狀態(tài)時，噪聲源表現(xiàn)為室溫下的負載（冷態(tài)）。而在反向偏置條件下，二極管經(jīng)歷雪崩擊穿，產(chǎn)生顯著的噪聲，這種附加噪聲以超噪比（ENR）來描述。通過對被測設(shè)備（DUT）輸出端的噪聲功率進行兩次測量——一次是在引入額外噪聲之前，另一次之后——并計算這兩次測量結(jié)果的比率（即所謂的Y因子），即可得出噪聲系數(shù)。這種方法為評估LNA及其他組件的性能提供了一種標準手段。

圖2.Y 因子法的圖示

在利用Y因子法進行噪聲系數(shù)測量時，受限于測試儀器的條件，通常假設(shè)噪聲源在熱態(tài)和冷態(tài)測量期間均匹配50歐姆。然而，傳統(tǒng)測試配置的一個局限在于它無法校正被測設(shè)備（DUT）輸入端的不匹配問題。這意味著，如果DUT在其輸入端的匹配度不佳，測量結(jié)果的準確性將隨之下降。這種測試裝置的限制會導(dǎo)致通過Y因子法得到的噪聲系數(shù)數(shù)據(jù)存在較大的不確定性。因此，在進行噪聲系數(shù)測量時，必須考慮到這些潛在的誤差來源，并采取適當?shù)拇胧﹣肀M可能減小其影響，以確保測量結(jié)果的精確性和可靠性。

增益和

線性度測量

02

S參數(shù)測量是評估射頻網(wǎng)絡(luò)性能的基礎(chǔ)方法，尤其適用于分析低噪聲放大器（LNA）的線性特性，如正向增益、反向隔離和輸入輸出匹配度。在理想情況下，如果放大器工作在線性區(qū)域，其S參數(shù)將保持不變，不隨輸入功率的變化而變化。然而，為了全面且可靠地評估一個放大器，除了考察其線性表現(xiàn)外，深入理解其非線性特性同樣重要。非線性失真對信號質(zhì)量有顯著影響，尤其是由放大器引發(fā)的失真問題更為關(guān)鍵。特別需要注意的是，帶內(nèi)失真的影響尤為嚴重，因為傳統(tǒng)的濾波技術(shù)難以有效解決這類失真。在這種情境下，誤差矢量幅度（EVM）成為衡量帶內(nèi)失真程度的重要指標，正如圖3所示。WiFi和5G NR等通信標準已經(jīng)設(shè)定了嚴格的最低EVM要求。隨著這些標準變得愈加嚴格，對于精確測量并優(yōu)化LNA的線性度以及降低EVM的需求也在不斷增加，這對于滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)高標準的要求至關(guān)重要。通過這種方式，可以確保信號傳輸?shù)母哔|(zhì)量和可靠性，支持不斷發(fā)展的無線通信需求。

圖3.EVM 是測量信號與理想?yún)⒖夹盘柕氖噶坎铍S時間變化的均方根 (RMS)

典型連續(xù)波(CW)和雙音測試的理想選擇是使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)。然而，對于現(xiàn)代通信標準中復(fù)雜的寬帶信號調(diào)制測試，則需要采用信號分析儀和信號發(fā)生器來準確評估如誤差矢量幅度(EVM)、相鄰信道功率比(ACPR)等性能指標。傳統(tǒng)上，在進行增益、線性度以及寬帶調(diào)制信號失真等不同類型的測量時，需要在多種測試設(shè)置之間切換，這不僅耗費了寶貴的測試時間，還增加了關(guān)聯(lián)不同測試結(jié)果的復(fù)雜性。此外，當使用信號分析儀進行EVM測量時，通常需要外部測試夾具，例如衰減器或升壓放大器，這些額外的設(shè)備會引入更多的不確定性，進一步影響測量的準確性。

單次設(shè)置，

完成多項測量

03

ENA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀平臺為工程師提供了加速LNA開發(fā)和驗證工作的強有力工具。ENA-X集成了低噪聲接收機、調(diào)制失真分析功能以及全面的矢量校正功能，可在單一測試設(shè)置中有效消除輸入端口失配、通道功率波動及源誤差的影響。通過采用專門設(shè)計的MMIC（單片微波集成電路），ENA-X能夠提供更高的測量精度和重復(fù)性，確保了RF開發(fā)人員僅需一次連接與校準即可完成所有必要的測量工作。

此外，ENA-X支持使用冷源法進行完全校準的噪聲系數(shù)測量，如圖4所示，體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)分析儀技術(shù)的進步。同時，該平臺還能夠執(zhí)行EVM（誤差矢量幅度）和ACPR（相鄰信道功率比）等關(guān)鍵性能指標的測量。ENA-X不僅簡化了測試配置流程，其先進的測量方法和技術(shù)還極大地提升了測量結(jié)果的準確性與可靠性。這使得工程師們可以更加高效地進行精確測量，滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對高性能組件的需求。

圖4.冷源法的圖示

冷源法提供了一種先進的替代方案，可以取代傳統(tǒng)的Y因子法，用于實現(xiàn)更高精度的噪聲系數(shù)測量。這種方法通過在待測設(shè)備（DUT）輸入端進行冷端接來測量噪聲功率，所測得的噪聲包含了被放大的輸入噪聲以及由低噪聲放大器（LNA）自身產(chǎn)生的噪聲。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）在此過程中能夠同時獲取DUT的S參數(shù)和增益，作為整體噪聲系數(shù)測量的一部分。隨后，VNA會自動從總噪聲中減去放大的輸入噪聲成分，僅保留由DUT產(chǎn)生的噪聲，以此為基礎(chǔ)計算出更為精確的噪聲系數(shù)。

通過利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）和冷源法測量噪聲系數(shù)，工程師能夠獲取低噪聲放大器（LNA）的全矢量校正噪聲參數(shù)。這種方法使得對DUT在50歐姆條件下的噪聲系數(shù)進行精確分析成為可能。此外，借助全面的矢量校正技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)分析儀還能提供更高精度的增益測量結(jié)果。這種綜合性的測量方案不僅提高了數(shù)據(jù)的準確性，還增強了對設(shè)備性能評估的可靠性，從而為射頻工程中的設(shè)計驗證和優(yōu)化提供了強有力的支持。

通過集成硬件

簡化設(shè)置和校準

04

ENA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀通過增強的硬件集成，提供了更加靈活和高效的測量解決方案。它在端口1內(nèi)置了上變頻器，并在端口1和端口2配置了低噪聲接收機。這種設(shè)計不僅增加了測量的靈活性，還使得ENA-X能夠與低頻信號發(fā)生器（如Keysight MXG信號發(fā)生器）配對使用，支持高達44 GHz的測量需求。內(nèi)置的低噪聲接收機消除了對外部測試夾具的需求，簡化了設(shè)置過程，并允許在雙向DUT測量中進行更簡便的噪聲系數(shù)校準。

工程師只需一次性連接并校準測試裝置，即可利用ENA-X完成一系列標準網(wǎng)絡(luò)分析測量以及采用冷源法的噪聲系數(shù)測量。由于內(nèi)部接收機具備低噪聲系數(shù)的特點，ENA-X在網(wǎng)絡(luò)分析儀的噪聲系數(shù)測量靈敏度方面表現(xiàn)出色，特別是在30GHz以內(nèi)的頻段，其性能可媲美高性能的PNA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀，如圖5所示。這使得ENA-X成為追求高精度、高效能測量的理想選擇，尤其適用于需要細致評估LNA和其他射頻組件的應(yīng)用場景。

圖5. ENA-X 與PNA-X的噪聲系數(shù)性能對比

使用調(diào)制失真分析軟件

進行線性度測試

05

多種不同的測試設(shè)置不僅會延長驗證周期的時間，還會引入額外的潛在誤差源。測試儀器本身的信號質(zhì)量直接影響到系統(tǒng)的殘余誤差矢量幅度（EVM），即所謂的殘余EVM。盡管這種固有的誤差在早期通信系統(tǒng)中被認為是可接受的，但如今的毫米波傳輸系統(tǒng)要求更為精確的測量，以確保其性能符合嚴格的EVM標準（例如256 QAM要求3.5%，1024 QAM要求1%）。ENA-X通過提供擴展的軟件應(yīng)用功能，實現(xiàn)了頻譜和信號分析能力的增強。這使得在同一套用于連續(xù)波（CW）和雙音測試的設(shè)置上，也能進行全矢量校正的調(diào)制信號EVM和ACPR測量。

ENA-X利用是德科技的頻譜相關(guān)技術(shù)，直接在頻域中分析調(diào)制輸入和輸出信號，從而簡化了復(fù)雜調(diào)制信號的評估過程。此外，ENA-X的接收機直接接入功能為工程師提供了更大的靈活性，允許將增壓放大器或定向耦合器環(huán)路集成到測試系統(tǒng)中，同時保持入射調(diào)制信號的質(zhì)量，并支持VNA內(nèi)部接收機的校準。這種方式不僅提高了測試效率，還確保了測量結(jié)果的準確性，使得ENA-X成為現(xiàn)代高性能通信系統(tǒng)開發(fā)和驗證的理想選擇。