基于網(wǎng)絡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)絡分析儀的系統(tǒng)誤差所引起，從而獲取網(wǎng)絡分析儀的系統(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。基于圖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
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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)絡分析儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。安捷倫最新的網(wǎng)絡分析儀PNA-X的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示

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圖4 網(wǎng)絡分析儀的結(jié)構(gòu)圖

前向測量時，B為測試接收機，A為反射接收機，R1為參考接收機；反向測量時，A為測試接收機，B為反射接收機，R2為參考接收機。兩個35dB衰減器為接收機衰減器，用來避免大功率使接收機壓縮；兩個65dB衰減器為前向和反向源衰減器，改變端口輸出功率范圍。對應每個端口在后面板都有一個Bias-T直流偏指輸入口，對放大器提供直流信號。
四個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)校準與測試

假設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，工程師設置網(wǎng)絡分析儀：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。完成設置后，按圖5所示連接電子校準件（也可以使用機械校準件）進行雙端口校準。然后按圖6所示連接放大器，進行測量，測試結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，測試結(jié)果抖動非常大，出現(xiàn)了毛刺，這是實際應用中所不能接受的。

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

1) 校準功率電平比較低

校準是獲取高精度測量結(jié)果的先決條件，如果校準精度差，絕對不可能得到比較高的測量精度，因此必須盡可能提高校準的精度。上面談到校準本身也是一種測量過程，即用標準校準件測量網(wǎng)絡分析儀自身系統(tǒng)誤差。

安捷倫PNA-X內(nèi)部信號源的功率范圍從-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。如果手動設置衰減器為30dB, PNA-X源的輸出功率范圍為從-60dBm到-17dBm。

使用網(wǎng)絡分析儀非常重要的一點，如果網(wǎng)絡分析儀衰減器不變，校準后，改變功率大小，基本上不影響測量精度。因此校準時，功率可以設置為-20dBm而不是-60dBm,這樣可以提高校準精度。校準完成后，把功率設置為-60dBm,以便于滿足LNA的測試條件。

完成雙端口校準后，直通連接。功率為-60dBm與-20dBm的校準誤差對比如圖8所示。

圖8 功率不同時校準誤差對比

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。由于校準為2端口校準，即使屏幕上不測試S12隔離度，網(wǎng)絡分析儀后臺也在測量S12，因為根據(jù)圖3的公式或簡化公式，放大器S21a需要S12m。網(wǎng)絡分析儀在測試S12m時，由于端口2輸出電平為-60dBm和隔離為40dB，到達端口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A接收機的功率為-115dBm。-115dBm接近接收機的低噪，因此S12m的測量精度非常差，從而導致四個實際S參數(shù)的測試精度非常差。

網(wǎng)絡分析儀的兩個端口功率可以設置為非耦合狀態(tài)，也就是端口2的功率可以與端口1的功率設置不一樣。我們可以設置端口1輸出功率-60dBm,端口2輸出功率0dBm，這樣可以保證S12m的測量精度, 從而使得4個S參數(shù)測量精度大大提高。

3) 校準時中頻帶寬值較大
由于校準是為了獲得網(wǎng)絡分析儀的系統(tǒng)誤差，因此校準時，中頻帶寬建議設置為100Hz,完成校準后，為了提高測試速度，可以把中頻帶寬提高到10kHz或1kHz，這樣的改變并不會明顯改變校準的狀態(tài)和影響測試結(jié)果。
解決上面三個問題后，重新進行校準和測量，測量結(jié)果如圖9所示，可以看出抖動和毛刺現(xiàn)象不見了，測量結(jié)果比較理想。

圖9 優(yōu)化后測量結(jié)果

6. 總結(jié)

現(xiàn)代的LNA設計指標越來越好，優(yōu)異的LNA性能對傳統(tǒng)的參數(shù)測量方法提出了很大挑戰(zhàn)，但是通過合理地設置網(wǎng)絡分析儀以及優(yōu)化校準過程，可以獲得較高的測量精度。