为什么好的 LNA 对有效的天线前端至关重要

关于 RF 和无线链路，任何学生首先要学到的内容之一是天线遵循互易原则。这意味着天线的发射和接收特征是相同的，两种模式之间的发射或接收增益、波束宽度或辐射模式等属性没有差异。如果知道发射模式的天线规格，那么就知道接收模式的天线规格。当然，对于进行更高功率传输的天线，通常由物理尺寸更大的元件组成，以满足功率处理需要，但仍遵循互易原则。

一些研究探讨了使用超表面和超透镜的非互易天线，但这些研究尚处于研发阶段，不在此讨论。

互易性当然是一种简化设计原则，但发射和接收侧天线路径比天线要复杂得多。发射侧任务是确定性功能，因此相当简单：获取一个已知具有定义属性的较强信号，且信号已经过功率放大器 (PA)，然后将信号“呈现”给天线。除了调制载波的信号的详情外，路径中几乎没有未知数，但这基本上（但并非完全）与天线无关。

相比之下，接收器信号路径的工作场景则更加困难，带有随机性。此路径必须以某种方式定位并捕获微量的 RF 信号功率，并作为电磁 (EM) 场变送器将该功率转换为可用电压。尽管存在各种类型和来源的带内噪声与干扰，以及某种发射器漂移，甚至是某些应用中的多普勒频移，这种方式也是必须的。

接收到的功率相当低，有时只有毫瓦 (mW) 级，大部分为微瓦 (µW) 级，因此天线上形成的相应电压通常为微伏级。多数情况下，电压太小，无法直接用于解调，因此办法显而易见：只需放大即可。具体而言，接收到的 GPS 信号功率通常在 -127 dB 至 -25 dB 之间（相对于 1 mW (dBm)），有效的 Wi-Fi 信号范围在 -50 dBm 至 -75 dBm 之间。

低 SNR 属于互补性问题

放大解决方案只解决了接收器的一部分问题。即使是微伏信号，放大几个数量级并不难。但是，原始信号还有噪声，真正影响接收信号的解调和解码能力的是信噪比 (SNR)。放大接收信号同时也会放大其中的噪声。若使用具有更高无源增益的更大天线，则可增加接收信号的功率，但接收 SNR 将保持不变。

系统性能的关键指标之一是误码率 (BER) 与 SNR 的关系（图 1）。具体的曲线取决于许多因素，包括接收信号强度、SNR 以及发射器使用的原始数据的纠错码 (ECC) 编码类型；因此，更详细的图表显示了原始未纠错比特流以及纠错位模式（QAM = 正交幅度调制）的 BER 与 SNR 关系。

图 1：BER 与 SNR 的标准关系图揭示了很多关于系统性能的信息；请注意，更先进的调制技术（例如 256-QAM）可以提高有效数据速率，但在给定 SNR 下会损及 BER。（图片来源：Julia Computing, Inc.）

哪些典型的 SNR 值能以可接受的低 BER 成功解调？当然，并没有普遍适用的答案，但可接受的 Wi-Fi 信号 SNR 为 20 至 40 dB，老式全模拟电视为 40 至 50 dB，而蜂窝链路则大致相同。

当然，也有极端的例子：1977 年发射的旅行者 1 号和旅行者 2 号航天器现在距离地球超过 110 亿英里，我们仍在接收它们发出的信号。这些信号从航天器的 23 瓦发射器传送到地球，信号功率不到 1 阿瓦（1 瓦的十亿分之一的十亿分之一），且 SNR 只有几分贝。为了在一定程度上进行补偿，在距离更近、接收信号强度更高时，其数据速率为几千比特/秒 (Kb/s)，现在被节流到大约 100 比特/秒 (b/s)。

LNA 解决难题

“无线”早期有一种工程设计的说法，现在仍然正确：如果没有噪声，大多数系统设计的挑战会容易得多。接收器的天线链路也是如此，原因很简单。若要“增益”微弱的接收信号，则需要使用放大器，这也会将自身的噪声加入信号中，天线和接收器前端之间的任何互连布线也是如此。

接收信号放大需求处于两难的境地。一方面，未放大的信号太弱而无法使用；另一方面，放大会增加信号幅度，但也会降低 SNR，因此可能会降低链路性能。通过选择噪声尽可能少的放大器，便可在很大程度上解决这个难题。

前端低噪声放大器 (LNA) 有两个主要关注的参数：多少噪声会加入信号中，以及可提供多少增益。LNA 采用高度专业化的模拟处理器制造而成，可以很好地提供增益且几乎不会加入自身的噪声，但不适用于非 LNA 应用。

我们以 Skyworks Solutions 的 SKY67180-306LF 为例；这是一款两级高增益 LNA，适用于 1.5 至 3.8 千兆赫 (GHz) 应用，如用于 LTE、GSM 和 WCDMA 应用的蜂窝中继器和小型/大型蜂窝基站，以及 S 波段和 C 波段的超低噪声接收器（图 2）。

图 2：Skyworks Solutions 的 SKY67180-306LF 是一款两级、31 dB 增益 LNA，适用于 1.5 至 3.8 GHz、0.8 dB NF；第一级针对低噪声系数进行优化，第二级提供额外增益。（图片来源：Skyworks Solutions）

这种 16 引线 QFN 器件的第一级使用 GaAs pHEMT 晶体管来实现超低噪声系数 (NF)，而输出级（异质结双极型晶体）在该频率下提供额外增益，以及高线性度和高效率。结果是 LNA 在 3.5 GHz 下，本底噪声 (NF) 为 0.8 dB，增益为 31 dB。

另一个关键问题是在哪里布置 LNA；若将其与接收器电路的其余部分放在一起，则显然更为容易。然而，这意味着从 LNA 传送放大信号到系统的电缆不可避免地产生热噪声，这些噪声将加入未放大信号中，进一步降低 SNR。因此，即使是甚小口径卫星终端 (VSAT) 接收器等消费类应用，也会将 LNA 置于接收器的焦点位置。

总结

尽管天线发射器和接收器功能遵循互易原则，但实际挑战有所不同。对于许多 RF 天线情况，专用 LNA 通常是将接收信号电平提高到可用值的最佳或唯一方法，同时对 SNR 的影响最小。目前有针对特定频段进行定制的专用 LNA，并且增益值可解决信号电平/SNR 困境。

相关内容

“让特殊工艺在 5G LNA 中发挥最大效用”

https://www.digikey.com/en/articles/get-the-most-out-of-exotic-processes-for-5g-lnas

“了解无线设计中低噪声和功率放大器的基本原理”

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-the-basics-of-low-noise-and-power-amplifiers-in-wireless-designs

“低噪声放大器可最大限度地提升接收器灵敏度”

https://www.digikey.com/en/articles/low-noise-amplifiers-maximize-receiver-sensitivity

参考资料

• Increase Broadband Speed, “Wi-Fi Setup Guide: What is a Good Signal Level or Signal-to-Noise Ratio (SNR) for Wi-Fi?”
• Nordic Semiconductor, “GPS functionality test”
• The Great Courses Daily, “Voyager 2” Sends Messages from Interstellar Space with Minimal Signal”
• National Radio Astronomy Observatory, “How Strong is the Signal from the Voyager 1 Spacecraft When it Reaches Earth?”
• IEEE Communications Society, “Voyager - A Space Exploration Mission Like No Other”