高效精准表征低噪声放大器

在众多应用场景中，如无线通信、传感器网络、导航卫星以及射电望远镜等，低噪声放大器（LNA）扮演着不可或缺的角色。LNA在增强低功率信号的同时，对系统的信噪比（SNR）有着直接影响。除了关注增益和线性度这些普遍的放大器性能指标之外，LNA还必须具备卓越的低噪声系数特性，以确保信号的高质量传输及系统的高灵敏度。这样，才能满足各种精密应用的需求，为无线通信等领域提供强有力的支持。

LNA的性能对接收机的质量与可靠性具有最为关键的影响，尤其在蜂窝终端设备、基站、无线局域网（Wi-Fi）以及航空和卫星通信系统中表现得尤为重要。

工程师们通过精心优化LNA的噪声系数、增益及线性度，来增强接收机的灵敏度，从而达到提升信号质量和扩大覆盖范围的目的。这样的优化对于确保通信系统的高效运作至关重要。
 

噪声系数测量

01

低噪声放大器（LNA）通常位于接收机链路的最前端，这对于确定系统的链路预算、噪声系数以及接收机能够检测到的最小信号至关重要。尽管LNA作为有源威廉希尔官方网站 不可避免地会引入一定量的噪声，但其性能优劣主要是通过噪声系数来衡量的，该系数反映了放大器所产生噪声的程度。根据Friis公式关于噪声系数的描述，第一级放大器的噪声系数F1实际上决定了整个接收机的最小噪声系数。因此，优化LNA的设计以降低其噪声系数，对于提升整体接收机性能具有关键意义。

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

噪声系数衡量了系统中额外的、非信号相关的噪声量。通过降低噪声系数，可以减少噪声对系统的负面影响，进而保护信号质量不受损，避免如电视广播或电话通话中出现的静电干扰现象。在雷达和通信应用方面，接收机自身的噪声限制了系统有效工作的覆盖范围。为优化整个系统的信噪比（SNR），系统设计者可以通过增加信号功率或者减少噪声来达成目标。这包括使用更高效的组件以增强发射信号的功率，或是尽量减少从发射机到接收机之间的路径损耗。然而，改善接收机的噪声系数被公认为是提升SNR最直接且经济的方式。

传统上，工程师采用Y因子法测量噪声系数。此方法涉及一个校准过的噪声源、专门配置的噪声开关、具有良好输出匹配特性的衰减器以及频谱分析仪或噪声系数分析仪。当噪声二极管处于关闭状态时，噪声源表现为室温下的负载（冷态）。而在反向偏置条件下，二极管经历雪崩击穿，产生显著的噪声，这种附加噪声以超噪比（ENR）来描述。通过对被测设备（DUT）输出端的噪声功率进行两次测量——一次是在引入额外噪声之前，另一次之后——并计算这两次测量结果的比率（即所谓的Y因子），即可得出噪声系数。这种方法为评估LNA及其他组件的性能提供了一种标准手段。

图2. Y 因子法的图示

在利用Y因子法进行噪声系数测量时，受限于测试仪器的条件，通常假设噪声源在热态和冷态测量期间均匹配50欧姆。然而，传统测试配置的一个局限在于它无法校正被测设备（DUT）输入端的不匹配问题。这意味着，如果DUT在其输入端的匹配度不佳，测量结果的准确性将随之下降。这种测试装置的限制会导致通过Y因子法得到的噪声系数数据存在较大的不确定性。因此，在进行噪声系数测量时，必须考虑到这些潜在的误差来源，并采取适当的措施来尽可能减小其影响，以确保测量结果的精确性和可靠性。

增益和

线性度测量
 

02

S参数测量是评估射频网络性能的基础方法，尤其适用于分析低噪声放大器（LNA）的线性特性，如正向增益、反向隔离和输入输出匹配度。在理想情况下，如果放大器工作在线性区域，其S参数将保持不变，不随输入功率的变化而变化。然而，为了全面且可靠地评估一个放大器，除了考察其线性表现外，深入理解其非线性特性同样重要。非线性失真对信号质量有显著影响，尤其是由放大器引发的失真问题更为关键。特别需要注意的是，带内失真的影响尤为严重，因为传统的滤波技术难以有效解决这类失真。在这种情境下，误差矢量幅度（EVM）成为衡量带内失真程度的重要指标，正如图3所示。WiFi和5G NR等通信标准已经设定了严格的最低EVM要求。随着这些标准变得愈加严格，对于精确测量并优化LNA的线性度以及降低EVM的需求也在不断增加，这对于满足现代通信系统高标准的要求至关重要。通过这种方式，可以确保信号传输的高质量和可靠性，支持不断发展的无线通信需求。

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)和双音测试的理想选择是使用矢量网络分析仪(VNA)。然而，对于现代通信标准中复杂的宽带信号调制测试，则需要采用信号分析仪和信号发生器来准确评估如误差矢量幅度(EVM)、相邻信道功率比(ACPR)等性能指标。传统上，在进行增益、线性度以及宽带调制信号失真等不同类型的测量时，需要在多种测试设置之间切换，这不仅耗费了宝贵的测试时间，还增加了关联不同测试结果的复杂性。此外，当使用信号分析仪进行EVM测量时，通常需要外部测试夹具，例如衰减器或升压放大器，这些额外的设备会引入更多的不确定性，进一步影响测量的准确性。

单次设置，

完成多项测量

03

ENA-X网络分析仪平台为工程师提供了加速LNA开发和验证工作的强有力工具。ENA-X集成了低噪声接收机、调制失真分析功能以及全面的矢量校正功能，可在单一测试设置中有效消除输入端口失配、通道功率波动及源误差的影响。通过采用专门设计的MMIC（单片微波集成威廉希尔官方网站 ），ENA-X能够提供更高的测量精度和重复性，确保了RF开发人员仅需一次连接与校准即可完成所有必要的测量工作。

此外，ENA-X支持使用冷源法进行完全校准的噪声系数测量，如图4所示，体现了网络分析仪技术的进步。同时，该平台还能够执行EVM（误差矢量幅度）和ACPR（相邻信道功率比）等关键性能指标的测量。ENA-X不仅简化了测试配置流程，其先进的测量方法和技术还极大地提升了测量结果的准确性与可靠性。这使得工程师们可以更加高效地进行精确测量，满足现代通信系统对高性能组件的需求。

图4. 冷源法的图示

冷源法提供了一种先进的替代方案，可以取代传统的Y因子法，用于实现更高精度的噪声系数测量。这种方法通过在待测设备（DUT）输入端进行冷端接来测量噪声功率，所测得的噪声包含了被放大的输入噪声以及由低噪声放大器（LNA）自身产生的噪声。矢量网络分析仪（VNA）在此过程中能够同时获取DUT的S参数和增益，作为整体噪声系数测量的一部分。随后，VNA会自动从总噪声中减去放大的输入噪声成分，仅保留由DUT产生的噪声，以此为基础计算出更为精确的噪声系数。

通过利用矢量网络分析仪（VNA）和冷源法测量噪声系数，工程师能够获取低噪声放大器（LNA）的全矢量校正噪声参数。这种方法使得对DUT在50欧姆条件下的噪声系数进行精确分析成为可能。此外，借助全面的矢量校正技术，网络分析仪还能提供更高精度的增益测量结果。这种综合性的测量方案不仅提高了数据的准确性，还增强了对设备性能评估的可靠性，从而为射频工程中的设计验证和优化提供了强有力的支持。

通过集成硬件

简化设置和校准

04

ENA-X网络分析仪通过增强的硬件集成，提供了更加灵活和高效的测量解决方案。它在端口1内置了上变频器，并在端口1和端口2配置了低噪声接收机。这种设计不仅增加了测量的灵活性，还使得ENA-X能够与低频信号发生器（如Keysight MXG信号发生器）配对使用，支持高达44 GHz的测量需求。内置的低噪声接收机消除了对外部测试夹具的需求，简化了设置过程，并允许在双向DUT测量中进行更简便的噪声系数校准。

工程师只需一次性连接并校准测试装置，即可利用ENA-X完成一系列标准网络分析测量以及采用冷源法的噪声系数测量。由于内部接收机具备低噪声系数的特点，ENA-X在网络分析仪的噪声系数测量灵敏度方面表现出色，特别是在30GHz以内的频段，其性能可媲美高性能的PNA-X网络分析仪，如图5所示。这使得ENA-X成为追求高精度、高效能测量的理想选择，尤其适用于需要细致评估LNA和其他射频组件的应用场景。

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不仅会延长验证周期的时间，还会引入额外的潜在误差源。测试仪器本身的信号质量直接影响到系统的残余误差矢量幅度（EVM），即所谓的残余EVM。尽管这种固有的误差在早期通信系统中被认为是可接受的，但如今的毫米波传输系统要求更为精确的测量，以确保其性能符合严格的EVM标准（例如256 QAM要求3.5%，1024 QAM要求1%）。ENA-X通过提供扩展的软件应用功能，实现了频谱和信号分析能力的增强。这使得在同一套用于连续波（CW）和双音测试的设置上，也能进行全矢量校正的调制信号EVM和ACPR测量。

ENA-X利用是德科技的频谱相关技术，直接在频域中分析调制输入和输出信号，从而简化了复杂调制信号的评估过程。此外，ENA-X的接收机直接接入功能为工程师提供了更大的灵活性，允许将增压放大器或定向耦合器环路集成到测试系统中，同时保持入射调制信号的质量，并支持VNA内部接收机的校准。这种方式不仅提高了测试效率，还确保了测量结果的准确性，使得ENA-X成为现代高性能通信系统开发和验证的理想选择。