|
來源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 關于 RF 和無線鏈路，任何學生首先要學到的內容之一是天線遵循互易原則。這意味著天線的發射和接收特征是相同的，兩種模式之間的發射或接收增益、波束寬度或輻射模式等屬性沒有差異。如果知道發射模式的天線規格，那么就知道接收模式的天線規格。當然，對于進行更高功率傳輸的天線，通常由物理尺寸更大的元件組成，以滿足功率處理需要，但仍遵循互易原則。 一些研究探討了使用超表面和超透鏡的非互易天線，但這些研究尚處于研發階段，不在此討論。 互易性當然是一種簡化設計原則，但發射和接收側天線路徑比天線要復雜得多。發射側任務是確定性功能，因此相當簡單：獲取一個已知具有定義屬性的較強信號，且信號已經過功率放大器 (PA)，然后將信號“呈現”給天線。除了調制載波的信號的詳情外，路徑中幾乎沒有未知數，但這基本上（但并非完全）與天線無關。 相比之下，接收器信號路徑的工作場景則更加困難，帶有隨機性。此路徑必須以某種方式定位并捕獲微量的 RF 信號功率，并作為電磁 (EM) 場變送器將該功率轉換為可用電壓。盡管存在各種類型和來源的帶內噪聲與干擾，以及某種發射器漂移，甚至是某些應用中的多普勒頻移，這種方式也是必須的。 接收到的功率相當低，有時只有毫瓦 (mW) 級，大部分為微瓦 (μW) 級，因此天線上形成的相應電壓通常為微伏級。多數情況下，電壓太小，無法直接用于解調，因此辦法顯而易見：只需放大即可。具體而言，接收到的 GPS 信號功率通常在 -127 dB 至 -25 dB 之間（相對于 1 mW (dBm)），有效的 Wi-Fi 信號范圍在 -50 dBm 至 -75 dBm 之間。 低 SNR 屬于互補性問題 放大解決方案只解決了接收器的一部分問題。即使是微伏信號，放大幾個數量級并不難。但是，原始信號還有噪聲，真正影響接收信號的解調和解碼能力的是信噪比 (SNR)。放大接收信號同時也會放大其中的噪聲。若使用具有更高無源增益的更大天線，則可增加接收信號的功率，但接收 SNR 將保持不變。 系統性能的關鍵指標之一是誤碼率 (BER) 與 SNR 的關系（圖 1）。具體的曲線取決于許多因素，包括接收信號強度、SNR 以及發射器使用的原始數據的糾錯碼 (ECC) 編碼類型；因此，更詳細的圖表顯示了原始未糾錯比特流以及糾錯位模式（QAM = 正交幅度調制）的 BER 與 SNR 關系。 
圖 1：BER 與 SNR 的標準關系圖揭示了很多關于系統性能的信息；請注意，更先進的調制技術（例如 256-QAM）可以提高有效數據速率，但在給定 SNR 下會損及 BER。（圖片來源：Julia Computing, Inc.） 哪些典型的 SNR 值能以可接受的低 BER 成功解調？當然，并沒有普遍適用的答案，但可接受的 Wi-Fi 信號 SNR 為 20 至 40 dB，老式全模擬電視為 40 至 50 dB，而蜂窩鏈路則大致相同。 當然，也有極端的例子：1977 年發射的旅行者 1 號和旅行者 2 號航天器現在距離地球超過 110 億英里，我們仍在接收它們發出的信號。這些信號從航天器的 23 瓦發射器傳送到地球，信號功率不到 1 阿瓦（1 瓦的十億分之一的十億分之一），且 SNR 只有幾分貝。為了在一定程度上進行補償，在距離更近、接收信號強度更高時，其數據速率為幾千比特/秒 (Kb/s)，現在被節流到大約 100 比特/秒 (b/s)。 LNA 解決難題 “無線”早期有一種工程設計的說法，現在仍然正確：如果沒有噪聲，大多數系統設計的挑戰會容易得多。接收器的天線鏈路也是如此，原因很簡單。若要“增益”微弱的接收信號，則需要使用放大器，這也會將自身的噪聲加入信號中，天線和接收器前端之間的任何互連布線也是如此。 接收信號放大需求處于兩難的境地。一方面，未放大的信號太弱而無法使用；另一方面，放大會增加信號幅度，但也會降低 SNR，因此可能會降低鏈路性能。通過選擇噪聲盡可能少的放大器，便可在很大程度上解決這個難題。 前端低噪聲放大器 (LNA) 有兩個主要關注的參數：多少噪聲會加入信號中，以及可提供多少增益。LNA 采用高度專業化的模擬處理器制造而成，可以很好地提供增益且幾乎不會加入自身的噪聲，但不適用于非 LNA 應用。 我們以 Skyworks Solutions 的 SKY67180-306LF 為例；這是一款兩級高增益 LNA，適用于 1.5 至 3.8 千兆赫 (GHz) 應用，如用于 LTE、GSM 和 WCDMA 應用的蜂窩中繼器和小型/大型蜂窩基站，以及 S 波段和 C 波段的超低噪聲接收器（圖 2）。
圖 2：Skyworks Solutions 的 SKY67180-306LF 是一款兩級、31 dB 增益 LNA，適用于 1.5 至 3.8 GHz、0.8 dB NF；第一級針對低噪聲系數進行優化，第二級提供額外增益。（圖片來源：Skyworks Solutions） 這種 16 引線 QFN 器件的第一級使用 GaAs pHEMT 晶體管來實現超低噪聲系數 (NF)，而輸出級（異質結雙極型晶體）在該頻率下提供額外增益，以及高線性度和高效率。結果是 LNA 在 3.5 GHz 下，本底噪聲 (NF) 為 0.8 dB，增益為 31 dB。 另一個關鍵問題是在哪里布置 LNA；若將其與接收器電路的其余部分放在一起，則顯然更為容易。然而，這意味著從 LNA 傳送放大信號到系統的電纜不可避免地產生熱噪聲，這些噪聲將加入未放大信號中，進一步降低 SNR。因此，即使是甚小口徑衛星終端 (VSAT) 接收器等消費類應用，也會將 LNA 置于接收器的焦點位置。 總結 盡管天線發射器和接收器功能遵循互易原則，但實際挑戰有所不同。對于許多 RF 天線情況，專用 LNA 通常是將接收信號電平提高到可用值的最佳或唯一方法，同時對 SNR 的影響最小。目前有針對特定頻段進行定制的專用 LNA，并且增益值可解決信號電平/SNR 困境。 相關內容 “讓特殊工藝在 5G LNA 中發揮最大效用” https://www.digikey.com/en/artic ... ocesses-for-5g-lnas “了解無線設計中低噪聲和功率放大器的基本原理” https://www.digikey.com/en/artic ... in-wireless-designs “低噪聲放大器可最大限度地提升接收器靈敏度” https://www.digikey.com/en/artic ... eceiver-sensitivity |
