這是一篇從應(yīng)用的角度對(duì)微波放大器進(jìn)行的無(wú)復(fù)雜數(shù)學(xué)公式的放大器應(yīng)用普及介紹，旨在幫助射頻系統(tǒng)總體工程師在系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型時(shí)選擇合適的放大器。

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微波放大器的類型：**

微波放大器有很多種分類方法，但我們將根據(jù)它們?cè)谕ㄓ贸獠罱邮諜C(jī)中的作用將其分為四類（如上所示）。 線性放大器、功率放大器、低噪聲放大器、驅(qū)動(dòng)放大器 。上述系統(tǒng)可以代表蜂窩、回程、衛(wèi)星或其他無(wú)線電通信鏈路；也可以代表雷達(dá)或其他成像系統(tǒng)。發(fā)射器可以單獨(dú)代表干擾機(jī)或激勵(lì)器，接收器可以單獨(dú)代表電子戰(zhàn)掃描儀或測(cè)試儀器。對(duì)于驅(qū)動(dòng)放大器的選擇要求，在大多數(shù)應(yīng)用中往往都是一樣的。

在這篇文章中，我們將討論不同類型的放大器以及它們的作用。

1、低噪聲放大器

關(guān)鍵詞：增益、噪聲系數(shù)、噪聲因素、噪聲溫度

低噪聲放大器是最容易理解的微波放大器，因?yàn)檩^低的輸入功率導(dǎo)致放大器中的非線性效應(yīng)相對(duì)較小。它被設(shè)計(jì)成用于接收極低電平的信號(hào)，比如你在有損傳輸介質(zhì)末端看到的信號(hào)，并以最小的附加噪聲對(duì)其進(jìn)行放大。需要注意的是，除了附加噪聲外，噪聲還與信號(hào)相同的增益放大。這也就意味著低噪聲放大器或任何其他放大器不能提高信噪比（SNR），它只能提高信號(hào)和噪聲的功率水平。如果增益為窄帶，放大器可能會(huì)過(guò)濾一些帶外噪聲或信號(hào)，但由于帶內(nèi)噪聲，也無(wú)法提高信噪比。

如果信噪比沒(méi)有提高，那為什么還要費(fèi)心放大呢？原因是接收機(jī)中的級(jí)聯(lián)有損耗，而該損耗也同樣適用于信號(hào)和噪聲。如果噪聲水平已經(jīng)遠(yuǎn)高于噪聲下限，則損耗不會(huì)顯著降低信號(hào)的信噪比。因此，LNA的噪聲系數(shù)通常主導(dǎo)整個(gè)接收機(jī)鏈的噪聲系數(shù)。最終，信號(hào)鏈末端的信號(hào)檢測(cè)器（在現(xiàn)代系統(tǒng)中通常是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC））具有可檢測(cè)的電壓范圍，接收器設(shè)計(jì)者將在整個(gè)接收器鏈中使用放大器級(jí)，使接收到的信號(hào)功率能夠與ADC的可檢測(cè)電壓范圍相匹配，從而檢測(cè)到相關(guān)信號(hào)。

低噪聲放大器通常是窄帶的，或者至少是對(duì)帶寬有限制的設(shè)備。通常為了優(yōu)化放大器中晶體管的噪聲系數(shù)，就要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)窄帶匹配網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)代低噪聲放大器可以在低噪聲系數(shù)下獲得極高的增益，例如在低頻噪聲系數(shù)小于1dB的情況下可獲得高達(dá)40dB的增益。

2、功率放大器

關(guān)鍵詞：輸出功率（Psat, P1dB）、效率、非線性（IP2、IP3、頻譜再生）

功率放大器與低噪聲放大器相反，接收的是已經(jīng)處于相對(duì)較高水平的信號(hào)，并將其增強(qiáng)，以便通過(guò)空氣等有損介質(zhì)進(jìn)行傳輸。雖然功率放大器的增益通常較低（比如小于10 dB），但功率在絕對(duì)值上是顯著的（即，500毫瓦的輸入可以提高到幾瓦）。PA的飽和輸出功率（Psat）在很大程度上決定了無(wú)線系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的傳輸/檢測(cè)距離的物理范圍。

飽和輸出功率是功率放大器最重要的參數(shù)，而效率與之密切相關(guān)。效率決定了便攜式應(yīng)用的電池壽命、機(jī)載/衛(wèi)星應(yīng)用的傳輸功率以及所有應(yīng)用的散熱要求。許多收發(fā)器中的大部分功率被用于最后的功率放大器。

由于PA輸出的信號(hào)和噪聲都會(huì)被傳輸介質(zhì)嚴(yán)重衰減，因此噪聲系數(shù)并不重要。老式的頻率/相位傳輸格式，如調(diào)頻（FM）、頻移鍵控（FSK）、二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）和其他使用恒定振幅的信號(hào)，這意味著功率放大器非線性不是信號(hào)質(zhì)量的一個(gè)重要因素。這也是必然的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的管放大器具有很強(qiáng)的非線性?，F(xiàn)代通信格式，如正交幅度調(diào)制（QAM）、正交頻分復(fù)用（OFDM）、碼分多址（CDMA）和大多數(shù)其他通信格式都使用幅度和相位調(diào)制，因此需要線性放大。而且許多應(yīng)用還需要同時(shí)放大多個(gè)不相關(guān)的通道。

放大器的這種非線性行為以多種方式描述，并最終表現(xiàn)為信號(hào)質(zhì)量下降和相鄰信道中受限制的信號(hào)泄漏，用相鄰信道功率比（ACPR）來(lái)描述。要求放大器同時(shí)放大功率峰值大且不可預(yù)測(cè)的信號(hào)，往往會(huì)加劇這些影響。這種信號(hào)特性由信號(hào)峰均功率比（PAPR）來(lái)描述，現(xiàn)代信號(hào)的峰均功率比遠(yuǎn)高于以前的信號(hào)。

3、線性放大器

關(guān)鍵詞：非線性（IP2、IP3、頻譜再生）、噪聲系數(shù)、適用性

線性放大器是一種通用放大器，有時(shí)被稱為“增益塊”，在系統(tǒng)中提供信號(hào)增益。由于它們不是系統(tǒng)的輸入或輸出，因此它們通常不是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的決定因素。功率水平高于LNA，但低于PA。因此這是權(quán)衡了線性度、噪聲系數(shù)成本、尺寸和功耗的放大器選擇。雖然對(duì)線性放大器的要求并不嚴(yán)格，但它們不得以任何顯著方式降低信號(hào)。這些放大器從來(lái)都不是系統(tǒng)中的重要組成部分，但同時(shí)也影響著整個(gè)系統(tǒng)。

4、驅(qū)動(dòng)放大器

關(guān)鍵詞：飽和功率、相位噪聲、效率、諧波

驅(qū)動(dòng)放大器專門用于單頻（連續(xù)波CW）操作，如在合成器中或作為驅(qū)動(dòng)混頻器的本地振蕩器（LO）的放大器。在消費(fèi)類應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)放大器的作用通常作為CMOS電路集成到收發(fā)器芯片中。然而，在高端電子戰(zhàn)、儀器、測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用中，這些放大器并不能提供最大的系統(tǒng)性能。

由于這些放大器專門用于放大CW信號(hào)，因此沒(méi)有多音輸入的情況下，放大器在多音互調(diào)方面的非線性是不存在的。相反地，非線性的重要表現(xiàn)是諧波的產(chǎn)生。在某些應(yīng)用中，在使用放大器驅(qū)動(dòng)混頻器之前，諧波的減少或過(guò)濾是關(guān)鍵，因?yàn)樗鼈儠?huì)降低混頻器的雜散性能。而在其他情況下，諧波實(shí)際上是改善了雜散性能。一般來(lái)說(shuō)，如果諧波被過(guò)濾，帶寬小于一倍頻程的驅(qū)動(dòng)放大器都可以在Psat附近運(yùn)行，因?yàn)樗惺д娑紝⒃?f或更高頻率產(chǎn)生。

與多音互調(diào)一樣，只要信號(hào)源的噪聲不太高，并且后續(xù)電路（如混頻器的LO-IF或LO-RF隔離）的噪聲抑制足夠高，從而消除振幅噪聲，那么驅(qū)動(dòng)放大器的噪聲系數(shù)就不重要。與振幅噪聲相反，放大器中信號(hào)中添加的任何相位噪聲（或發(fā)生的振幅噪聲到相位噪聲轉(zhuǎn)換）將直接降低雷達(dá)信號(hào)或相位控制通信信號(hào)的信號(hào)完整性。這對(duì)于QAM信號(hào)來(lái)說(shuō)尤其是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。與諧波含量類似，商用放大器的相位噪聲也幾乎從未被要求。

由于這些放大器需要產(chǎn)生比信號(hào)本身至少高6-10 dB的LO信號(hào)，因此它們需要比系統(tǒng)中的線性信號(hào)放大器更高的功率。類似地，在超外差系統(tǒng)中，尤其是在多通道超外差系統(tǒng)中，存在多個(gè)這樣的放大器，因此它們可能是接收器中最大的功耗器件。因此，效率對(duì)于驅(qū)動(dòng)放大器來(lái)說(shuō)非常重要。