基于網(wǎng)絡(luò)分析儀提高低噪聲放大器的測(cè)量精度

1. 低噪聲放大器的特點(diǎn)和應(yīng)用

LNA主要用于微弱信號(hào)的放大，放大天線從空中接收到的微弱信號(hào)，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(duì)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(hào)檢測(cè)的基本因素， 任何微弱的信號(hào)理論上都可以經(jīng)過LNA放大后被檢測(cè)到，因此檢測(cè)能力取決于信號(hào)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(hào)，而且可以減小下級(jí)噪聲的影響；大的動(dòng)態(tài)范圍，以給輸入信號(hào)一個(gè)變化的范圍而不產(chǎn)生失真；與信號(hào)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(duì)其負(fù)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(gè)重要的指標(biāo)。

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。作用距離遠(yuǎn)、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(duì)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(jì)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(jī)的噪聲系數(shù)NF，而決定接收機(jī)的噪聲系數(shù)的關(guān)鍵部件就是處于接收機(jī)最前端的LNA，所以如何精準(zhǔn)的測(cè)量LNA的各種指標(biāo)參數(shù)是尤為重要的。

2. 校準(zhǔn)原理

校準(zhǔn)的目的是為了消除測(cè)試系統(tǒng)中存在的系統(tǒng)誤差。必須認(rèn)識(shí)到校準(zhǔn)本身也是一種測(cè)試過程，即用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)已知高精度參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件進(jìn)行測(cè)量，網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試的結(jié)果與系統(tǒng)中存儲(chǔ)的校準(zhǔn)件參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，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(cè)量過程中將被消除掉，最終得到被測(cè)器件的測(cè)量結(jié)果。

校準(zhǔn)的基本類型有單端口校準(zhǔn)，雙端口校準(zhǔn)，歸一化校準(zhǔn)還有今年剛剛推出的增強(qiáng)型響應(yīng)校準(zhǔn)（Enhanced Response Calibration）。對(duì)于放大器測(cè)量，我們常常需要測(cè)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(zhǔn)。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(xiàng)系統(tǒng)誤差，通過雙端口校準(zhǔn)可以獲得。校準(zhǔn)后，對(duì)被測(cè)件進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量過程得到四個(gè)測(cè)量S參數(shù)S11m,S21m,S12m和S22m?；趫D3所示的四個(gè)雙端口誤差修正公式，消除12項(xiàng)系統(tǒng)誤差，最終計(jì)算出實(shí)際需要的被測(cè)件的四個(gè)S參數(shù)S11a,S21a,S12a和S22a。 

圖3 雙端口校準(zhǔn)誤差修正公式
 
圖3四個(gè)公式簡(jiǎn)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(xiàng)系統(tǒng)誤差，S參數(shù)下標(biāo)a為Actual實(shí)際值, m為Measure測(cè)量值。

結(jié)論：每個(gè)實(shí)際S參數(shù)是四個(gè)測(cè)試S參數(shù)和12項(xiàng)系統(tǒng)誤差的函數(shù)。因此，要想獲得高精度的S參數(shù)測(cè)量結(jié)果，必須保證四個(gè)測(cè)試S參數(shù)的測(cè)量精度和12項(xiàng)系統(tǒng)誤差的準(zhǔn)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(cè)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

前向測(cè)量時(shí)，B為測(cè)試接收機(jī)，A為反射接收機(jī)，R1為參考接收機(jī)；反向測(cè)量時(shí)，A為測(cè)試接收機(jī)，B為反射接收機(jī)，R2為參考接收機(jī)。兩個(gè)35dB衰減器為接收機(jī)衰減器，用來避免大功率使接收機(jī)壓縮；兩個(gè)65dB衰減器為前向和反向源衰減器，改變端口輸出功率范圍。對(duì)應(yīng)每個(gè)端口在后面板都有一個(gè)Bias-T直流偏指輸入口，對(duì)放大器提供直流信號(hào)。
四個(gè)S參數(shù)定義如下：
前向：S11=A/R1，S21=B/R1 反向：S22=B/R2，S12=A/R2

4. 傳統(tǒng)校準(zhǔn)與測(cè)試

假設(shè)低噪聲放大器的輸入電平要求為-60dBm, 反向隔離度為40dB，工作頻段從1.8 GHz到2.0 GHz。
一般情況下，工程師設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀：起始頻率為1.8 GHz,終止頻率為2.0 GHz,功率為-60 dBm,中頻帶寬為10kHz。完成設(shè)置后，按圖5所示連接電子校準(zhǔn)件（也可以使用機(jī)械校準(zhǔn)件）進(jìn)行雙端口校準(zhǔn)。然后按圖6所示連接放大器，進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。可以看出，測(cè)試結(jié)果抖動(dòng)非常大，出現(xiàn)了毛刺，這是實(shí)際應(yīng)用中所不能接受的。

圖7 優(yōu)化前測(cè)量結(jié)果
5. 對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試中存在問題的分析及解決方案

1) 校準(zhǔn)功率電平比較低

校準(zhǔn)是獲取高精度測(cè)量結(jié)果的先決條件，如果校準(zhǔn)精度差，絕對(duì)不可能得到比較高的測(cè)量精度，因此必須盡可能提高校準(zhǔn)的精度。上面談到校準(zhǔn)本身也是一種測(cè)量過程，即用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件測(cè)量網(wǎng)絡(luò)分析儀自身系統(tǒng)誤差。

安捷倫PNA-X內(nèi)部信號(hào)源的功率范圍從-30dBm到+13dBm或更高（最大功率輸出取決于頻段），由于PNA-X有65dB的源衰減器，因此功率電平最低可以到-95dBm。如果手動(dòng)設(shè)置衰減器為30dB, PNA-X源的輸出功率范圍為從-60dBm到-17dBm。

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀非常重要的一點(diǎn)，如果網(wǎng)絡(luò)分析儀衰減器不變，校準(zhǔn)后，改變功率大小，基本上不影響測(cè)量精度。因此校準(zhǔn)時(shí)，功率可以設(shè)置為-20dBm而不是-60dBm,這樣可以提高校準(zhǔn)精度。校準(zhǔn)完成后，把功率設(shè)置為-60dBm,以便于滿足LNA的測(cè)試條件。

完成雙端口校準(zhǔn)后，直通連接。功率為-60dBm與-20dBm的校準(zhǔn)誤差對(duì)比如圖8所示。

圖8 功率不同時(shí)校準(zhǔn)誤差對(duì)比

2) PNA-X端口2輸出功率較低
PNA-X缺省模式下，端口1與端口2功率為耦合狀態(tài)，因此端口2的輸出功率也為-60dBm。由于校準(zhǔn)為2端口校準(zhǔn)，即使屏幕上不測(cè)試S12隔離度，網(wǎng)絡(luò)分析儀后臺(tái)也在測(cè)量S12，因?yàn)楦鶕?jù)圖3的公式或簡(jiǎn)化公式，放大器S21a需要S12m。網(wǎng)絡(luò)分析儀在測(cè)試S12m時(shí)，由于端口2輸出電平為-60dBm和隔離為40dB，到達(dá)端口1的功率為-100dBm,再經(jīng)過端口1定向耦合器的15dB衰減的耦合壁到達(dá)A接收機(jī)的功率為-115dBm。-115dBm接近接收機(jī)的低噪，因此S12m的測(cè)量精度非常差，從而導(dǎo)致四個(gè)實(shí)際S參數(shù)的測(cè)試精度非常差。
網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個(gè)端口功率可以設(shè)置為非耦合狀態(tài)，也就是端口2的功率可以與端口1的功率設(shè)置不一樣。我們可以設(shè)置端口1輸出功率-60dBm,端口2輸出功率0dBm，這樣可以保證S12m的測(cè)量精度, 從而使得4個(gè)S參數(shù)測(cè)量精度大大提高。

3) 校準(zhǔn)時(shí)中頻帶寬值較大
由于校準(zhǔn)是為了獲得網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)誤差，因此校準(zhǔn)時(shí)，中頻帶寬建議設(shè)置為100Hz,完成校準(zhǔn)后，為了提高測(cè)試速度，可以把中頻帶寬提高到10kHz或1kHz，這樣的改變并不會(huì)明顯改變校準(zhǔn)的狀態(tài)和影響測(cè)試結(jié)果。
解決上面三個(gè)問題后，重新進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖9所示，可以看出抖動(dòng)和毛刺現(xiàn)象不見了，測(cè)量結(jié)果比較理想。

圖9 優(yōu)化后測(cè)量結(jié)果

6. 總結(jié)

現(xiàn)代的LNA設(shè)計(jì)指標(biāo)越來越好，優(yōu)異的LNA性能對(duì)傳統(tǒng)的參數(shù)測(cè)量方法提出了很大挑戰(zhàn)，但是通過合理地設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀以及優(yōu)化校準(zhǔn)過程，可以獲得較高的測(cè)量精度。