基于网络分析仪提高低噪声放大器的测量精度

1. 低噪声放大器的特点和应用

LNA主要用于微弱信号的放大，放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据。对LNA的主要要求是：小的噪声系数(NF)，即LNA本身产生的噪声功率小，噪声是限制微弱信号检测的基本因素， 任何微弱的信号理论上都可以经过LNA放大后被检测到，因此检测能力取决于信号噪声比；高的增益，具有较好平坦度的高增益不仅可以有效地放大信号，而且可以减小下级噪声的影响；大的动态范围，以给输入信号一个变化的范围而不产生失真；与信号源很好地匹配，在此LNA前端通常是射频无源滤波器，这种滤波器的传输特性对其负载敏感,因此需要有优异的输入输出反射损耗，另外LNA的非线性引起的三阶交调失真也是一个重要的指标。

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。作用距离远、覆盖范围大以及失真小等都已成为Radar, E/W, Satellite和GPS系统的普遍追求，这就对系统的接收灵敏度提出了更高的要求，我们知道，系统接收灵敏度的计算公式如下：

由上式可见，在各种特定（带宽、解调S/N已定）的无线通讯系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数NF，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的LNA，所以如何精准的测量LNA的各种指标参数是尤为重要的。

2. 校准原理

校准的目的是为了消除测试系统中存在的系统误差。必须认识到校准本身也是一种测试过程，即用网络分析仪对已知高精度参数的标准校准件进行测量，网络分析仪测试的结果与系统中存储的校准件参数数据进行比对，两组数据之间必然存在误差，这些误差是由于网络分析仪的系统误差所引起，从而获取网络分析仪的系统误差。这些误差在后续的测量过程中将被消除掉，最终得到被测器件的测量结果。

校准的基本类型有单端口校准，双端口校准，归一化校准还有今年刚刚推出的增强型响应校准（Enhanced Response Calibration）。对于放大器测量，我们常常需要测量正向增益，输入端损耗，输出端损耗和反向隔离度，因此需要双端口校准。双端口误差模型如下：

图1 前向误差模型

图2 反向误差模型

以上12项系统误差，通过双端口校准可以获得。校准后，对被测件进行测量，测量过程得到四个测量S参数S11m,S21m,S12m和S22m。基于图3所示的四个双端口误差修正公式，消除12项系统误差，最终计算出实际需要的被测件的四个S参数S11a,S21a,S12a和S22a。

图3四个公式简化为：

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项系统误差，S参数下标a为Actual实际值, m为Measure测量值。

结论：每个实际S参数是四个测试S参数和12项系统误差的函数。因此，要想获得高精度的S参数测量结果，必须保证四个测试S参数的测量精度和12项系统误差的准确度。

3. 网络分析仪系统结构

要想获取高精度的测量结果，必须非常清楚地理解网络分析仪的系统结构。安捷伦最新的网络分析仪PNA-X的系统结构如图4所示

图4 网络分析仪的结构图

前向测量时，B为测试接收机，A为反射接收机，R1为参考接收机；反向测量时，A为测试接收机，B为反射接收机，R2为参考接收机。两个35dB衰减器为接收机衰减器，用来避免大功率使接收机压缩；两个65dB衰减器为前向和反向源衰减器，改变端口输出功率范围。对应每个端口在后面板都有一个Bias-T直流偏指输入口，对放大器提供直流信号。
四个S参数定义如下：
前向：S11=A/R1，S21=B/R1 反向：S22=B/R2，S12=A/R2

4. 传统校准与测试

假设低噪声放大器的输入电平要求为-60dBm, 反向隔离度为40dB，工作频段从1.8 GHz到2.0 GHz。
一般情况下，工程师设置网络分析仪：起始频率为1.8 GHz,终止频率为2.0 GHz,功率为-60 dBm,中频带宽为10kHz。完成设置后，按图5所示连接电子校准件（也可以使用机械校准件）进行双端口校准。然后按图6所示连接放大器，进行测量，测试结果如图7所示。可以看出，测试结果抖动非常大，出现了毛刺，这是实际应用中所不能接受的。