低噪声放大器的使用和工作原理

低噪声放大器常用于无线电接收机前端，其作用是提高接收机的灵敏度。在某些需要测量微弱信号的场合，如电磁环境测量、发射系统的杂散测量等，当被测信号的幅度低于频谱分析仪的底噪声时，也需要用到低噪声放大器。在本节中讨论了低噪声放大器的主要技术指标、测量方法及其在射频测试和测量中的应用。低噪声放大器的基本指标有：

（1）工作频率范围

工作频率范围是指放大器满足或超过产品手册中所有指标时的频率范围。低噪声放大器的工作频率范围可以做到非常宽，如0.1～26.5 GHz，超过了8倍频程。

（2）噪声系数

噪声系数（F）描述信号通过低噪声放大器时信噪比的变化，定义为输入信噪比（Si/Ni）和输出信噪比（S0/N0）之比。

由于所有器件都会附带热噪声，所以信号经过放大器后，其信噪比必然是恶化的。因此，噪声系数必然是大于1的，如果用分贝表示则为正数。对于二级串联的放大器，其总的噪声系数NFt。

式中，NF1为第一级放大器的噪声系数，G1为第一级放大器的增益，NF2为第二级放大器的噪声系数。如第一级放大器的噪声系数为1 dB，增益为25 dB；第二级放大器的噪声系数为4 dB，则二级放大器串联后的噪声系数可由式（8-2）计算为1.12 dB。可见串联放大器的噪声系数取决于第一级放大器，在系统设计或者测试和测量应用中，应尽可能考虑在第一级采用低噪声系数和高增益的放大器。

超宽带（如0.1～26.5 GHz）低噪声放大器的噪声系数可做到2～3 dB，一些窄带放大器更可低至1 dB以下。

线性无源器件的噪声系数等于其损耗值，即NF等于-S21（dB）。在一个有低噪声放大器的测量系统中，放大器输入端的电缆应尽可能采用低损耗电缆；如果系统中需要加入可调衰减器来控制总增益，则衰减器应置于放大器的输出端。

（3）线性输出功率（PldB）

图8-9描述了放大器的基本输入-输出特性。在线性放大区，放大器的输出和输入呈线性关系。当输入功率增加时，输出功率逐渐接近非线性区，1 dB压缩点被定义为放大器的增益比线性区增益低1 dB时的输出功率，或者说被压缩1 dB时的输出功率（P1dB）。1 dB压缩点输出可表示为：

图8-9　放大器1 dB压缩点的定义

（4）增益（G）

低噪声放大器的增益定义为输出功率和输入功率之比，带内增益平坦度（ΔG），放大器的带内增益平坦度（ΔG）定义为在整个工作频率范围内增益的变化。fL和fH分别为放大器工作频率范围的下限和上限，Gmin和Gmax分别为放大器在工作频率范围内的最小和最小增益。增益平坦度为：

增益平坦度可以用网络分析仪在常温下测量。如无特别说明，增益平坦度仅指常温下的指标，不包括由于温度变化所导致的增益变化。

（5）反向隔离

放大器的反向隔离定义为反向加到输出端的功率与从输入端所测到的功率之比。对于低噪声放大器，反向隔离的典型值为增益的2倍。

（6）输入和输出驻波比（VSWR）

和绝大多数射频和微波器件一样，低噪声放大器被设计为50Ω阻抗，但低噪声放大器较难做到这一点，尤其是需要兼顾良好的噪声系数指标时。

放大器的驻波比VSWR可通过反射系数Γ计算：(www.xing528.com)

而反射系数则与系统阻抗有关：

其中Z为放大器的输入或输出阻抗，Z0为特性阻抗，通常为50Ω。

互调和谐波低噪声放大器通常采用双极晶体管或场效应管，这些器件存在非线性因素，表现出互调和谐波。这些无用信号出现在放大器的输出端（见图8-10）。

图8-10　放大器的非线性因素

当输入到放大器的信号为单载频时，放大器的输出中会出现谐波；当输入到放大器的信号为二载频（f1和f2）时，放大器的输出中还会出现互调，通常我们关心二阶和三阶互调。

二阶互调产物（fIMD2）是两个载频之和或差值：

二阶互调产物仅对大于一个倍频程的放大器产生影响，如果放大器的带宽小于一个倍频程，其二阶互调产物落入带宽外而被衰减了。

三阶互调产物（fIMD3）是载频与二次谐波的混合产物：

三阶互调产物靠近载频，所以是测试者较为关心的。

在放大器的1 dB压缩点以下，当载频增加1 dB时，二阶互调增加2 dB，而三阶互调则增加3 dB。

（7）动态范围

低噪声放大器的动态范围可用线性动态范围和无杂散动态范围两种方式来表达。

线性动态范围定义为放大器输入端可检测到的最小信号与放大器输出保持线性时的最大输入信号是之间的差值。最大输入信号是指放大器输出为1 dB压缩点时的输入信号，而最小检测信号则与系统中的噪声系数、带宽和信噪比有关。

无杂散动态范围定义为最小检测信号与无杂散时的最大输入信号之间的差值。无杂散最大输入信号是指输出三阶互调产物等于最小检测信号时放大器的输入信号。

放大器包含低噪声放大器、功率放大器、可变增益放大器等多种类型。测试系统需要全面测试放大器的传输反射参数、交调参数、功率压缩点参数、噪声参数等。

放大器主要包括功放、低噪放、中放等，对于放大器必须进行严格而全面的测量以保证系统的性能。测量参数包括：小信号S参数、噪声系数、压缩特性、谐波、互调、HotS参数、效率、稳定性、失真测量以及数字预失真补偿等。矢量网络分析仪、信号源和频谱分析仪可以对放大器的特性进行全面测量。

矢量网络分析仪可以直接对放大器进行小信号S参数测试，获得增益、相移、群延时、端口匹配特性，还可对给放大器供电的直流功率进行测试，从而获得放大器的效率。利用任意变频测量功能，矢量网络分析仪可以对放大器进行谐波、互调以及HotS参数测量，利用噪声系数测量功能，可以直接对放大器的噪声系数进行测试。

在很多情况下，还需要采用信号源和信号分析仪来进行放大器测试。信号源产生一定带宽的信号输入放大器，信号分析仪完成对放大器输出信号的测量分析，得到如邻道功率抑制比、峰均比、CCDF、EVM等指标。矢量网络分析仪可实现各类元器件和模块测量，包括标准S参数、时域测量、变频测量、真差分测量（混合S参数）、脉冲S参数测量、噪声系数测量等。图8-11为放大器的增益、驻波、1 dB压缩点、三阶交调、噪声系数的测试曲线。

分别完成对被测放大器的增益、驻波、1 dB压缩点、三阶交调、噪声系数的测试。PNA-X网络仪采用专利的冷态噪声源测试技术来进行噪声系统测试，这种技术与传统Y因子测试方法相比，具有更高的测试精度，测试中被测输入端不需连接噪声源。这种技术非常适合相控阵天线和高温环境下器件的噪声系数测试。

图8-11　放大器的增益、驻波、1 dB压缩点、三阶交调、噪声系数的测试曲线