为您的接收器前端选择 LNA

2022-03-21

为您的接收器前端选择 LNA

背景：为什么 LNA 很重要

韬放电子将低噪声放大器 (LNA) 定义为噪声系数 (NF) 低于 3 dB 的任何放大器，通常应在射频或微波接收器链的前端使用以获得理想性能。这个单一组件对信号链的其余部分产生了巨大的影响，这就是为什么选择 LNA 是一个如此关键的决定。韬放电子随时准备帮助我们的客户完成这个过程，所以让我们来看看其中的内容。

要了解 LNA 的重要性，请考虑构成接收器前端的一系列级联放大器。为了计算整个链的总噪声系数，我们可以获取每个单独放大器的增益 (G) 和噪声系数 (F)，并应用 Frii 的噪声公式，如图 1 所示。

图 1：级联接收器信号链的 Frii 噪声系数公式。

注意第一个被加数 (F 1 )——它是唯一包含第一个放大器噪声因子的被加数——也是具有最小分母（即 1）的被加数。同时，每个后续加法（包含后续放大器的噪声因子）的分母总是大于前一个（假设所有放大器都具有正增益）。因此很明显，在所有其他条件相同的情况下，每个后续被加数的总值越来越多地受到分母的阻碍——因此，第一个放大器最有可能增加整个系统的噪声系数。

直观而不是数学理解，第一个放大器引入的噪声也被随后的每个放大器放大。同时，第一个放大器的增益越大，第一个放大器输出的信噪比 (SNR) 就可以越大（这为后续放大器的噪声贡献提供了更多“空间”）。换句话说，第一个放大器的输出是所有后续放大器必须从其工作的基线或“起点”。因此，为什么第一个接收器应该是 LNA 是有道理的，这也是设计人员花费大量时间寻找噪声系数和增益性能的理想组合来选择它的原因。对其他参数的附加要求，例如 DC 功耗、1 dB 压缩时的输出功率、

信号和噪声如何与 LNA 相互作用

无论其噪声系数有多低，LNA 都无法降低进入它的信号的 SNR（即，它无法创造奇迹）。LNA - 就像任何其他放大器一样 - 将增加相同数量的输入信号和输入噪声的功率（因为放大器无法“区分”两者之间的差异）。它本身也会增加少量噪声，我们将其表示为 LNA 的噪声系数（噪声系数只是噪声系数，在图 1 中表示为 F 1，以分贝为单位）。

图 2 说明了由于 LNA 导致的 SNR 下降。图 2 的左侧显示了 LNA 输入的信号和热噪声。然后，LNA 将输入信号功率以及输入的热噪声增加相同的量——这就是增益。但是，LNA 自身也会产生一些热噪声——这就是噪声系数。图 2 的右侧显示了结果输出。

图 2：输入信号和 LNA 的信号和噪声贡献。

为您的要求选择合适的 LNA 型号

我们经常从客户那里看到的最关键的 LNA 要求是增益 (G)、噪声系数 (NF)、尺寸和成本。我们看到的其他常见要求包括三阶截点 (IP3)、直流功耗和 1dB 压缩时的输出功率 (P1dB)。在理想情况下，LNA 将提供所有这些参数的完美组合。然而，现实世界并不完全相同，LNA 的参数之间会有必要的权衡。我们可以帮助指导接收机设计人员权衡这些权衡，以最好地满足他们的要求。

放大器性能参数之间的权衡是相互关联的，就像一个复杂的网络。我们在图 3 中提供了一个非常简化的外观，并为 LNA 量身定制了重点。

图 3：一些放大器参数权衡。

例如，如果空间非常宝贵，设计人员可能会发现最好选择紧凑型 MMIC LNA，而不是选择具有更高功率处理能力的更大、连接器式 LNA。或者，假设他们正在设计一个具有 1,000 个元素的相控阵雷达接收器。在这种情况下，将需要 1,000 个 LNA，因此所选型号的直流功耗将乘以 1,000 倍的整体系统功率预算。这可能会促使人们决定选择具有较低功耗的模型，但会牺牲线性度和 P 1dB等其他参数。

设计人员经常面临带宽和性能之间的权衡，LNA 也不例外。LNA 设计可以是宽带的，也可以针对特定频段进行优化，这两种方法各有利弊。频带优化 LNA 设计通常可以实现比宽带设计更低的噪声系数和更高的线性度。在窄带设计中，功耗通常也较低。因此，此类窄带 LNA 非常适合为特定频段（如 L、C、Ku 或 Ka 频段）设计接收器，但可能不适用于需要单个宽带 LNA 的软件定义无线电 (SDR) 应用。覆盖更宽的带宽。

微型电路 LNA

韬放电子提供业界最广泛的 LNA 选择之一，包括针对特定应用频段的设计以及具有出色全面性能的宽带型号。

PMA2-33LN+ LNA 是可用于窄带宽应用的 LNA 的一个很好的例子。NF 在 0.9 – 3 GHz 频率范围内小于 1 dB，在 1.5 GHz 时实现了 0.36 dB 的最小噪声系数。此带宽上的典型 P 1dB为 17 dBm，OIP3 在 30 到 39 dBm 之间变化，直流功耗约为 170 mW。图 4 中的增益响应说明了该产品的调谐设计。

图 4：微型电路 PMA2-33LN+ LNA 增益与频率图。

PMA3-83LN+是宽带 LNA的一个很好的例子。噪声系数在 0.5 – 8 GHz 频率范围内通常为 1.5 dB，在 2 GHz 时达到 1.3 dB 的最小噪声系数——在该频率范围内是一个特殊的数字。此带宽上的典型 P 1dB为 18-20 dBm，OIP3 在 28 至 34 dBm 之间变化，直流功耗为 300 mW。

最后，宽带 LNA 设计的最新示例是我们的PMA3-453+，我们设计它的目的是覆盖极宽的频率范围，同时仍能实现出色的射频性能。该型号的噪声系数在 10 – 45 GHz 频率范围内为 1.6 至 5.2 dB，在 20 GHz 时实现了 1.6 dB 的最小噪声系数。此带宽上的典型 P 1dB为 8.5 至 12.7 dBm，OIP3 在 18.6 至 23.4 dBm 之间变化。直流功耗为 475 mW，较高的功耗归因于该产品更宽的带宽。

在为其接收器选择最佳 LNA 时，将有助于设计人员牢记这些参数的相关模式。

LNA 的正确选择并不总是显而易见的。系统设计人员必须考虑许多因素，包括系统应用、电气要求、机械要求和成本。韬放电子庞大的 LNA 产品组合为设计师提供了当今市场上最广泛的选择，我们随时准备在此过程中提供我们的经验。