LNA低噪声放大器:原理解析与实际应用概述

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一、定义
 
低噪声放大器(LNA)是一种具有极低噪声系数的放大器,作为一种运算放大器,LNA用于放大可能非常微弱的信号。它通常被放置在靠近检测设备的位置,以减少馈线损耗,常用于各种高频或中频无线电接收机的前置放大器,以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号时,放大器本身的噪声可能对信号造成干扰,因此需要降低这种噪声,以提高输出的信噪比。
 
二、工作原理
 
隔离器:主要用于单向输入高频信号,将反向高频信号隔离,并匹配各端口的驻波。
 
低噪声管:使用ATF54143型号的管子,利用其低噪声特性,减少模块内部的噪声,从而降低整个低噪声模块的噪声电平,提高接收灵敏度。
 
放大管:进一步放大高频信号。
 
限幅组件:包括由PIN管构成的压控衰减电路(ALC)和由HMC273构成的数控衰减电路(ATT)。
 
检波组件:使用MAX-4003芯片构成的检波电路,检测模块的输出功率大小。
 
限幅运算电路:根据检波组件检测到的高频信号功率大小的输出直流电压进行运算,并对限幅电路进行控制。
 
低噪声放大器是一种具有很低噪声系数的放大器。它常用于各种无线电接收机的高频或中频前置放大器,以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的情况下,放大器自身的噪声可能会严重干扰信号,因此需要降低噪声以提高输出信噪比。
 
噪声系数F通常用来表示由放大器引起的信噪比恶化程度。理想放大器的噪声系数F=1(0分贝),意味着输出信噪比等于输入信噪比。现代的低噪声放大器多采用晶体管、场效应晶体管;而微波低噪声放大器则采用变容二极管参量放大器,常温参放的噪声温度Te可低于几十度(绝对温度),致冷参量放大器甚至可以达到20K以下。砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用日益广泛,其噪声系数可以低于2分贝。放大器的噪声系数还受晶体管工作状态和信源内阻的影响。在给定工作频率和信源内阻的情况下,噪声系数也与晶体管的直流工作点相关。为了兼顾低噪声和高增益的要求,常采用共发射极一共基极级联的低噪声放大电路。
常见术语——①噪声系数(Noise Figure / NF)
 
为了评估线性电路(如放大器)或系统(如接收机)的噪声特性,通常需要引入一种衡量内部噪声大小的度量标准。这个度量标准可以用来比较不同电路噪声性能的优劣,并用于测量。广泛使用的一种噪声度量标准称为噪声系数。
 
噪声系数的公式表示为:噪声系数NF = 输入端信噪比 / 输出端信噪比,单位通常以“dB”表示。
 
常见术语——②噪声温度(Te)
 
在噪声系数很低的情况下,通常也使用噪声温度Te作为衡量放大器噪声性能的标准:Te = T0(F-1)。这里,T0表示室温。噪声温度Te的单位和T0都是开尔文(K)。
 
常见术语——③阻抗(R)
 
阻抗是用来表示元件或电路的性能的物理量。在具有电阻、电感和电容的电路中,对电流的阻碍作用被称为阻抗。阻抗通常用R表示,它是一个复数,实部称为电阻,虚部称为电抗。
 
应用
 
低噪声微波放大器(LNA)广泛应用于微波通信、GPS接收机、遥感遥控、雷达、电子对抗、射电天文、大地测绘、电视和各种高精度的微波测量系统等领域,是不可或缺的重要电路。
 
例如,在卫星通信系统中,地面站的接收天线需要连接到低噪声放大器。由于接收信号相对较弱,因此需要低噪声放大器来增强信号。接收到的信号通常比背景噪声稍高。考虑到卫星功率有限,使用低功率发射机更为合适。毕竟,发射机与地面站之间距离遥远且容易受到信号衰减等影响。
 
小结
 
低噪声放大器的主要作用是放大从空中接收到的微弱信号,并降低噪声干扰,以提供系统解调所需的信息数据。因此,低噪声放大器的设计对整个接收机至关重要。随着对各种无线通信设备的要求越来越高,功率辐射小、作用距离远、覆盖范围大已成为运营商和无线通信设备制造商的共同追求,这对系统的接收灵敏度提出了更高的要求。
 

关键词: 罗姆低噪运算放大器

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