您现在的位置: 通信界 >> 测试仪表 >> 技术正文  
 
基于网络分析仪提高低噪声放大器的测量精度
[ 通信界 / 孙现福,王国彬 安捷伦公司 / www.cntxj.net / 2010/1/22 22:54:35 ]
 
  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:
计算公式
                   
        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:
 

      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S11mS21mS12m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S11aS21aS12a和S22a
 


  图3四个公式简化为:

  S11a=f(S11mS21mS12mS22m,E12) S21a= f(S11mS21mS12mS22m E12)

  S22a=f(S11mS21mS12mS22m,E12) S12a= f(S11mS21mS12mS22m 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

网络分析仪的结构图


                                                                     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

校准



优化前测量结果 
图7  优化前测量结果

  5.对传统测试中存在问题的分析及解决方案

  1)校准功率电平比较低

  校准是获取高精度测量结果的先决条件,如果校准精度差,绝对不可能得到比较高的测量精度,因此必须尽可能提高校准的精度上面谈到校准本身也是一种测量过程,即用标准校准件测量网络分析仪自身系统误差

  安捷伦PNA-X内部信号源的功率范围从-30dBm到+13dBm或更高(最大功率输出取决于频段),由于PNA-X有65dB的源衰减器,因此功率电平最低可以到-95dBm如果手动设置衰减器为30dB PNA-X源的输出功率范围为从-60dBm到-17dBm

  使用网络分析仪非常重要的一点,如果网络分析仪衰减器不变,校准后,改变功率大小,基本上不影响测量精度因此校准时,功率可以设置为-20dBm而不是-60dBm这样可以提高校准精度校准完成后,把功率设置为-60dBm以便于满足LNA的测试条件

  完成双端口校准后,直通连接功率为-60dBm与-20dBm的校准误差对例如图8所示

功率不同时校准误差对比

图8 功率不同时校准误差对比

  2)PNA-X端口2输出功率较低

  PNA-X缺省模式下,端口1与端口2功率为耦合状态,因此端口2的输出功率也为-60dBm由于校准为2端口校准,即使屏幕上不测试S12隔离度,网络分析仪后台也在测量S12,因为根据图3的公式或简化公式,放大器S21a需要S12m网络分析仪在测试S12m时,由于端口2输出电平为-60dBm和隔离为40dB,到达端口1的功率为-100dBm再经过端口1定向耦合器的15dB衰减的耦合壁到达A接收机的功率为-115dBm-115dBm接近接收机的低噪,因此S12m的测量精度非常差,从而导致四个实际S参数的测试精度非常差

  网络分析仪的两个端口功率可以设置为非耦合状态,也就是端口2的功率可以与端口1的功率设置不一样我们可以设置端口1输出功率-60dBm端口2输出功率0dBm,这样可以保证S12m的测量精度 从而使得4个S参数测量精度大大提高

  3)校准时中频带宽值较大

  由于校准是为了获得网络分析仪的系统误差,因此校准时,中频带宽建议设置为100Hz完成校准后,为了提高测试速度,可以把中频带宽提高到10kHz或1kHz,这样的改变并不会明显改变校准的状态和影响测试结果

  解决上面三个问题后,重新进行校准和测量,测量结果如图9所示,可以看出抖动和毛刺现象不见了,测量结果比较理想



 图9 优化后测量结果

        6.总结  

       现代的LNA设计指标越来越好,优异的LNA性能对传统的参数测量方法提出了很大挑战,但是通过合适地设置网络分析仪以及优化校准过程,可以获得较高的测量精度

  参考文献

       1、 王国彬等,超导接收机中低射频低温低噪声放大器的研制,电子技术应用,2007.8

       2、 Agilent AN 1287-3 Applying Error Correction to Network Analyzer Measurements

 

作者:孙现福,王国彬 安捷伦公司 合作媒体:专网通信世界-中国电力通信网 编辑:顾北

 

 

 
 热点技术
普通技术 “5G”,真的来了!牛在哪里?
普通技术 5G,是伪命题吗?
普通技术 云视频会议关键技术浅析
普通技术 运营商语音能力开放集中管理方案分析
普通技术 5G网络商用需要“无忧”心
普通技术 面向5G应运而生的边缘计算
普通技术 简析5G时代四大关键趋势
普通技术 国家网信办就《数据安全管理办法》公开征求意见
普通技术 《车联网(智能网联汽车)直连通信使用5905-5925MHz频段管理规定(
普通技术 中兴通讯混合云解决方案,满足5G多元业务需求
普通技术 大规模MIMO将带来更多无线信道,但也使无线信道易受攻击
普通技术 蜂窝车联网的标准及关键技术及网络架构的研究
普通技术 4G与5G融合组网及互操作技术研究
普通技术 5G中CU-DU架构、设备实现及应用探讨
普通技术 无源光网络承载5G前传信号可行性的研究概述
普通技术 面向5G中传和回传网络承载解决方案
普通技术 数据中心布线系统可靠性探讨
普通技术 家庭互联网终端价值研究
普通技术 鎏信科技CEO刘舟:从连接层构建IoT云生态,聚焦CMP是关键
普通技术 SCEF引入需求分析及部署应用
  版权与免责声明: ① 凡本网注明“合作媒体:通信界”的所有作品,版权均属于通信界,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用。已经本网授权使用作品的,应在授权范围内使用,并注明“来源:通信界”。违反上述声明者,本网将追究其相关法律责任。 ② 凡本网注明“合作媒体:XXX(非通信界)”的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。 ③ 如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在一月内进行。
通信视界
华为余承东:Mate30总体销量将会超过两千万部
赵随意:媒体融合需积极求变
普通对话 苗圩:建设新一代信息基础设施 加快制造业数字
普通对话 华为余承东:Mate30总体销量将会超过两千万部
普通对话 赵随意:媒体融合需积极求变
普通对话 韦乐平:5G给光纤、光模块、WDM光器件带来新机
普通对话 安筱鹏:工业互联网——通向知识分工2.0之路
普通对话 库克:苹果不是垄断者
普通对话 华为何刚:挑战越大,成就越大
普通对话 华为董事长梁华:尽管遇到外部压力,5G在商业
普通对话 网易董事局主席丁磊:中国正在引领全球消费趋
普通对话 李彦宏:无人乘用车时代即将到来 智能交通前景
普通对话 中国联通研究院院长张云勇:双轮驱动下,工业
普通对话 “段子手”杨元庆:人工智能金句频出,他能否
普通对话 高通任命克里斯蒂安诺·阿蒙为公司总裁
普通对话 保利威视谢晓昉:深耕视频技术 助力在线教育
普通对话 九州云副总裁李开:帮助客户构建自己的云平台
通信前瞻
杨元庆:中国制造高质量发展的未来是智能制造
对话亚信科技CTO欧阳晔博士:甘为桥梁,携"电
普通对话 杨元庆:中国制造高质量发展的未来是智能制造
普通对话 对话亚信科技CTO欧阳晔博士:甘为桥梁,携"电
普通对话 对话倪光南:“中国芯”突围要发挥综合优势
普通对话 黄宇红:5G给运营商带来新价值
普通对话 雷军:小米所有OLED屏幕手机均已支持息屏显示
普通对话 马云:我挑战失败心服口服,他们才是双11背后
普通对话 2018年大数据产业发展试点示范项目名单出炉 2
普通对话 陈志刚:提速又降费,中国移动的两面精彩
普通对话 专访华为终端何刚:第三代nova已成为争夺全球
普通对话 中国普天陶雄强:物联网等新经济是最大机遇
普通对话 人人车李健:今年发力金融 拓展汽车后市场
普通对话 华为万飚:三代出贵族,PC产品已走在正确道路
普通对话 共享退潮单车入冬 智享单车却走向盈利
普通对话 Achronix发布新品单元块 推动eFPGA升级
普通对话 金柚网COO邱燕:天吴系统2.0真正形成了社保管