[4G&5G专题-2]：RRU 射频功率放大器PA与低噪声放大器LNA

前言：

功率放大器PA和低噪声放大器LNA是无线通信系统RU单元中非常重要的两个功能器件，他们的主要功能是对“小信号”进行功率放大。PA主要用于发送，而LNA主要用于接收。

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目录

1. 功率放大器PA和低噪声放大器LNA的功能与RU系统中位置

1.1 PA和LNA在RU中的位置

1.2 放大器的噪声系数

1.3 PA和LNA各自的目标

2. 射频功率放大器PA的主要技术特征

2.1 射频功率放大器PA的功能概述

2.2 射频功率放大器PA的工作原理

2.3 射频功率放大器PA主要技术指标

2.4 输出功率控制的方法

2.5 射频功率放大器PA的应用场合

3. 低噪声放大器LNA

3.1 低噪声放大器功能概述

3.2 低噪声放大器LNA工作原理

3.3 低噪声放大器LNA主要特点

3.4 低噪声放大器LNA的主要应用

4. 功率与频率关系

4.1 直流信号的功率

4.2 电磁波发射功率与频率关系

4.3 电磁波功率与带宽的关系

4.4 电磁波功率与电磁波幅度的关系

4.5 电磁波传输功率衰减与频率关系

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1. 功率放大器PA和低噪声放大器LNA的功能与RU系统中位置

1.1 PA和LNA在RU中的位置

PA: Power Amplifier。
LNA: Low Noise Amplifier。

功率放大器PA和低噪声放大器LNA是无线通信系统RU单元中必不可少的两个功能器件，他们的主要功能是对“小信号”进行功率放大。

功率放大器PA：用于发送。

低噪声放大器LNA：用于接收。

1.2 放大器的噪声系数

噪声系数是一个数字，通过它可以指定放大器或无线接收器的噪声性能。可以从放大器的信噪比开始。

假设我们把功率Ps的信号输入放大器。当然，除了信号外，放大器的输入端也会有一些噪声，假设是Pn,in。因此，放大器的输出将包括带功率输出Ps，out的信号和带功率输出Pn，out的噪声。（也就是说放大器会把噪声一并放大）

由于放大器有一定的增益，所以输入端的信号和噪声在输出端增加。

为了表征这种系统环境，在无线系统中有一个基本而重要的指标就是信噪比（SNR）。它只是信号功率与噪声功率的比值。

也就是说可以这么理解，在输入端：SNR=Ps,in/Pn,in。 而在输出端，SNR=Ps,out/Pn,out

在理想条件下，放大器输入端的信噪比应等于放大器输出端的信噪比，因为信号功率和噪声功率都会被放大。

但在实际情况下，放大器输出端的信噪比会小于输入端的信噪比。

 这个结果意味着，由于器件噪声的存在，当信号通过任何器件时，信噪比总是会下降！这是因为噪声比信号功率增加得多。这种附加的噪声是由放大器本身产生的。

用噪声系数NF表征放大器产生的噪声量。

在另一方面，噪声水平增加更多的一个因素来源于产生噪声的设备。

因此，噪声系数越小，设备或系统越好。

噪声系数（NF: Noise figure）和噪声因子（F: noise factor）是由射频（RF: radio-frequency）信号链中的成分引起的信噪比（SNR）退化的度量。它是一个数字，通过它可以指定放大器或无线接收器的性能，值越低表示性能越好。

总之，有一个指标叫做“噪声因子”，被定义为输入信噪比和输出信噪比之比，如下所示。

噪声系数是噪声因子的对数标度值，如下所示。

噪声系统（NF） = 10*LOG（噪声因子 F）

也就是说，噪声系数是以分贝为单位测量的，噪声因子是以线性单位测量的。

1.3 PA和LNA各自的目标

（1）PA

• 输入信号幅度比较高，属于常规信号
• 输入信号本身的信噪比比较高。
• 叠加的来自于放大器自身的噪声对有用信号的影响不大。
• 目标：是对信号线性放大，尽可能的放大输出信号，这种情况，会牺牲一定的信噪比。

（2）LNA

• 输入信号本身的幅度比较低，属于微弱信号
• 输入信号本身的信噪比比较低
• 叠加的来自于放大器自身的噪声对有用输入的微弱信号的影响较大。
• 目标： 对还原微弱信号，不能引入额外的噪声，因此需要采用自身低噪声的器件，会牺牲一定的信号放大效果和幅度。

2. 射频功率放大器PA的主要技术特征

2.1 射频功率放大器PA的功能概述

射频功率放大器RF PA是发射系统中的主要部分，其重要性不言而喻。

在发射机的前级电路中，射频信号进行调制后所产生的射频调制信号，其功率很小，需要经过射频功率放大器对其进行功率放大，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去，同时信号的发射功率也觉得了射频信号的传输的距离以及信号辐射的大小。因此信号的功率不能太小，也不能超标，信号的最大发射功率有严格的限制。

功率放大器往往是设备中最耗电、效率最低的器件之一。

2.2 射频功率放大器PA的工作原理

（1）原理图

（2）功率曲线--理想

（2）功率曲线--实际

实际的曲线，线性与非线性区并非泾渭分明，而是连续过渡的。

由于功放的输入信号是交流信号，而不是直流信号，功率放大器的非线性会导致正弦信号变形。

（3）不同制式系统，PA实际工作范围。

之所以可以工作在非线性区，这与信号预失真DPD相关，这里不深入讨论，可以参考DPD相关技术。

2.3 射频功率放大器PA主要技术指标

（1）工作频带

射频功率放大器并非对直流信号进行放大，而是对高频已调信号进行放大，功率的频率范围及其重要！

工作频带是指放大器应满足全部性能指标的连续频率范围。

硅双极型晶体管功率放大器和硅金属氧化物场效应管功率放大器的工作频率是从300MHz到4GHz.

砷化镓场效应管功率放大器的工作频率是从1GHz到几十GHz, 通常分为S、L、C、X、Ku、Ka波段等等。

（2）饱和输出功率

当功率放大器的输入功率加大到某一值后，再加大输入功率并不会改变输出功率的大小，该输出功率称为功率放大器的饱和输出功率，超过饱和输出功率的功率输入，就是量能的无端浪费，这些多余的能量全部转化为热能，捎长时间的工作，就可以烧毁器件。

（3）线性输出功率

当功率放大器的输入功率加大到某一值后，输入和输出之间不再是线性关系，此时再增加输入信号的功率，虽然可以增大输出功率，输出功率的增加远低于输入功率的增加，即输出功率下降。

（4）谐波与杂散

当信号增加到一-定程度，功率放大器因工作在非线性区而产生一-系列谐波（高频分量），这些谐波分量，放大后的信号失真。

避免信号失真的技术手段：

• 尽量避免信号工作在非线性区。
• 在非线性区，增加输入信号的功率，通过牺牲一部分能量换取信号不失真。预失真DPD就是这种增加信号发送功率，而避免信号不失真的一种技术手段。

2.4 输出功率控制的方法

一般来讲，PA放大器的曲线特性是确定的，可以查看芯片手册。

因此功率放大器PA的实际的输出功率，取决于放大器的输入信号的功率。

至于如何控制功率放大器的输入功率，已经超出本文的范围。

在数字信号处理中，通常只需要对每个幅度值，乘以一个倍数就可以达到信号放大的目的，PA最终的输出功率是数字放大与PA放大的乘积。

2.5 射频功率放大器PA的应用场合

主要是考虑高的线性区和高增益，所以PA的bias很高，这样也会造成PA效率降低。

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3. 低噪声放大器LNA

3.1 低噪声放大器功能概述

低噪声放大器， 噪声系数很低的放大器。

一般用作各类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。

在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出信号的信噪比。

理想放大器的噪声系数 F=1（0分贝），其物理意义是输入信噪比等于输出信噪比。即放大器本身并不增加或不减小信号与噪声的比例，只是简单的等比例放大。

现代的低噪声放大器大多采用晶体管、场效应晶体管。

在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。

性能优秀LNA能够极大的提升主接收器和分集接收器的接收灵敏度。有助于后期的正确的调制解调。

3.2 低噪声放大器LNA工作原理

（1）隔离器：主要用于高频信号的单向输入，对于反向的高频信号进行隔离，同时对各端口的驻波进行匹配。 

（2）低噪声管：ATF54143，利用管子的低噪声特性，减少模块的内部噪声，降低低噪声模块的噪声电平，使整机的接收灵敏度提高。 

（3）放大管：进一步放大高频信号 。 

（4）限幅组件：包含由PIN管组成压控的衰减电路（ALC），由HMC273组成的数控衰减电路（ATT）。 

（5）检波组件：对模块的输出功率由检波电路检测出输出功率的大小。 

（6）限幅运算电路：由检波组件对高频信号的检测出的功率大小的输出直流电压进行运算，对限幅电路进行控制。

限幅的对LNA重要，在实际系统中，LNA是对输入的电磁波信号进行放大。

当原始输入的电磁波信号幅度过大时，如果没限幅电路，经过低噪声放大器后的信号输出过大超出后续电路的工作电压，烧毁电路。

3.3 低噪声放大器LNA主要特点

（1）工作频率：

（2）噪声系数：

噪声系数（F）描述信号通过低噪声放大器时的信噪比的变化，定义为输入信噪比（Si/Ni）和输出信噪比（So/No）之比

所有器件都会附带热噪声，所有信号经过放大器后信噪比必然会恶化，所以F必然大于1，

如果用分贝表示则为正数

对于二级串联的放大器，其总的噪声系数（NFt）

为第一级放大器的噪声系数，为第一级放大器的增益，为第二级放大器的噪声系数

二级串联的放大器噪声系数取决于第一级，在应用中尽量的考虑在第一级使用低噪声系数和高增益的放大器。

在有低噪声放大器的测量系统中，放大器的输入端尽量使用低损耗的电缆，如果系统中需要加入可调衰减器来控制总增益，则衰减器应置于放大器的输出端。

（3）增益:

输出功率和输入功率之比：

（4）线性输出功率（）

在线性放大区，放大器的输出和输入呈线性关系，当输入功率增加时，输出功率接近非线性区，

1dB压缩点：放大器的增益比线性增益低1dB时的输出功率，或者说被压缩1dB时的输出功率

（5）带内增益平坦度（）

整个工作频段内增益的变化，如无特殊说明，增益平坦度仅指常温下的指标

（6）输入和输出驻波比（VSWR）

低噪声放大器被设计为50Ω的阻抗，但是较难，因为要兼顾良好的噪声系数

3.4 低噪声放大器LNA的主要应用

是用在接收机的，所以对噪声要求非常严格，所以LNA的bias都比较低，这样就能实现很小的NF和很高的效率，但同时也会导致线性区增益较低，最大输入功率不是很高（也可以说1dB压缩点）。

4. 功率与频率关系

4.1 直流信号的功率

P＝UI＝U^2/R = I^2 * R

在电阻不变的情况下，直流信号的功率与电压的平方成正比，或与电流的平方成正比。

4.2 电磁波发射功率与频率关系

电磁波是交流信号。

电磁波的能量来自于发射器，电磁波的能量可以由电磁波强度I来描述。

电磁波强度I与电场和磁场的强度成正比，电磁场的强度与电流的平方成正比，在阻抗不变的情况下，电磁场的强度与电磁波的幅度的与电磁波的幅度的平方成正比。

功率是指物体在单位时间内所做的功的多少,即功率是描述做功快慢的物理量。功的数量一定,时间越短,功率值就越大。求功率的公式为功率=功/时间。

电功率：电流在单位时间内做的功叫做电功率。是用来表示消耗电能的快慢的物理量，用P表示，它的单位是瓦特（Watt），简称"瓦"，符号是W。

电磁波的频率越大，周期越小，单位时间内完整周期的电磁波的数量越多，因此在幅度不变的情况下，功率越大。

4.3 电磁波功率与带宽的关系

电磁波的带宽越大，所包含的正弦波的频率分量越多，所需要的功率越大。

4.4 电磁波功率与电磁波幅度的关系

在电磁波的频率不变的情况下，电磁波的功率与电磁波的幅度的平方成正比。

4.5 电磁波传输功率衰减与频率关系

由于电磁波具有波粒二象性，而且使用的频率范围从几百兆到几千兆。

电磁波传输距离越远，损耗越大。

电磁波频率越高，穿透和绕射能力越弱，损耗越大。

因此要传输相同的距离，接收端相同的接收功率的情况下，频率越高，发送端所需要的发送功率越大。