低噪声放大器在电磁环境测试工程中的应用

　　低噪声放大器（LNA）广泛应用于微波通信、微波测量、雷达等接收系统，是接收机电路中的第一个有源电路，输入端接RF滤波器，输出端接镜像抑制滤波器或直接连接混频器，其主要功能是将来自天线的微伏级电压信号进行放大。低噪声放大器在电磁环境测试工程中有很大的应用价值。

1 电磁环境测试系统组成及灵敏度要求

　　电磁环境测试是确保各类无线电业务正常工作必不可少的环节，是有效、合理、经济地使用有限无线电频谱资源的技术措施，也是维护空中电波秩序、兼容各类无线电业务的保证。

　　电磁环境测试系统一般由天线、馈线、频谱分析仪、打印机、电源以及GPS、罗盘等组成。测试系统灵敏度是否满足测试要求，是电磁环境测试首要考虑的问题。电磁环境测试要求测试系统噪声电平（反映在频谱仪上即底噪电平）比拟上系统的允许干扰电平低10dB。测试灵敏度要求较高的测试任务，通常需要在测试系统中加入低噪声放大器，放大天线端信号，提升测试系统灵敏度。但在实际测试中，放大器同时会产生许多假信号，对正常信号的捕捉以及测试结果分析造成不利影响。针对这一问题，本文将结合放大器的各项指标对假信号产生的原因及消除办法进行分析探讨。

2 低噪声放大器主要指标介绍

　　低噪声放大器主要指标有噪声系数、噪声温度、动态范围、增益、增益平坦度、工作频带、线性度等。

　　噪声系数与噪声温度是表征放大器噪声的指标。噪声系数定义为放大器输入、输出端的信噪比之比。它的物理意义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏，信噪比下降的倍数就是噪声系数。放大器的噪声系数Nf与诸多因素有关，如固态器件自身的噪声（包括热噪声、闪烁噪声及沟道噪声）、电路中的损耗、外加偏压等。随着晶体管工艺技术的进步，低噪声放大器的噪声系数越来越小，用噪声系数表征方法很不方便，因此改用噪声温度的表示方法。噪声温度Tc与噪声系数Nf的关系为Tc=To(Nf-1)。

　　动态范围是指低噪声放大器输入信号允许的最小功率和最大功率的范围。放大器动态范围上限受非线性指标的限制，基本取决于末级放大器的功率容量，下限基本取决于放大器的噪声系数。

　　放大器的增益是指通过放大器放大后的信号功率与输入放大器功率的比值。物理含义是LNA对信号的放大倍数。

　　增益平坦度是指工作频带内功率增益的起伏，通常用最高增益与最低增益之差来表示。

　　工作频带指放大器工作的fmin-fmax范围，它不仅指功率增益满足平坦度要求的频率范围，而且要求全频带内噪声满足要求，并给出各频率点的噪声系数。低噪声放大器的噪声系数是其主要指标，而在宽频带情况下难以获得很低的噪声系数，所以低噪声放大器的工作频带不太宽，一般为20％左右。

　　和所有器件一样，放大器也有线性动态范围。在此动态范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加，称为线性放大器，输入输出功率之比即为放大器功率增益。随着输入功率的继续增大，放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增加而线性增加。通常把增益下降到比线性增益低1 dB时的输出功率值定义为输出功率的1 dB压缩点，用P-1 dB表示（见图1）。

　　图1 输出功率示意图

　　图1中，O2为1dB压缩点输出功率，O3为饱和点功率。当输入功率大于G2后，放大器逐渐进入饱和状态，失去放大作用。

3 低噪声放大器互调干扰产生原因及分析

　　在放大器各项指标中，噪声系数（噪声温度）和线性度指标对电磁环境测试系统影响最大。低噪声放大器是接收天线以下第一个进行信号处理的器件，甚至可以认为LNA的噪声系数决定了整个测试系统的噪声系数。尽管低噪声放大器处于接收系统的前级，基本上工作于弱信号状态，但高增益情况仍可能使放大器末级进入非线性区，从而使信号各频谱分量间产生交叉组合频率，形成互调干扰。例如，非线性器件的输入u(t)与输出y(t)的关系是y(t)=u(t)+u2(t)，其中t是时间，当输入信号是包含频率f1、f2的信号u(t)=cos2pf1t+cos2pf2t时，输出y(t)中不仅包含输入信号f1、f2,而且还会出现2f1、2f2、f1 f2等新的频率成分,这些新的频率称为互调。

　　对于理想的放大器，输出信号应该仅与当前输入放大器信息有关，而且放大器的幅度增益和相位偏移不随输入信号和外部环境变化。实际的放大器通常使用半导体材料制成，不可避免地具有一定的非线性特征。同时，电磁环境测试使用的低噪声放大器，其增益一般在30 dB以上，由于低噪声器件的使用，其输出P-1 dB压缩点不超过＋10 dBm。在放大器P-1 dB压缩点附近，其非线性已经非常严重，三阶互调一般在-10 dBc～-15 dBc。即使将输出信号功率降低10 dB，其输出P-1 dB压缩点在0 dBm，即输入信号功率在－30dBm左右时，按照输出降低1 dB互调大约改善2 dB的规律，此时的三阶互调也达到-30 dBc～-35 dBc。这就造成在测试频谱图中有很多互调信号存在（如图2、图3所示）。

　　图2 低噪声放大器引起的互调信号频谱图

　　图3 低噪声放大器引起的互调信号频谱图