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低噪声放大器（LNA）广泛应用于微波通信、微波测量、雷达等接收系统，是接收机电路中的第一个有源电路，输入端接RF滤波器，输出端接镜像抑制滤波器或直接连接混频器，其主要功能是将来自天线的微伏级电压信号进行放大。低噪声放大器在电磁环境测试工程中有很大的应用价值。
1 电磁环境测试系统组成及灵敏度要求
电磁环境测试是确保各类无线电业务正常工作必不可少的环节，是有效、合理、经济地使用有限无线电频谱资源的技术措施，也是维护空中电波秩序、兼容各类无线电业务的保证。
电磁环境测试系统一般由天线、馈线、频谱分析仪、打印机、电源以及GPS、罗盘等组成。测试系统灵敏度是否满足测试要求，是电磁环境测试首要考虑的问题。电磁环境测试要求测试系统噪声电平（反映在频谱仪上即底噪电平）比拟上系统的允许干扰电平低10dB。测试灵敏度要求较高的测试任务，通常需要在测试系统中加入低噪声放大器，放大天线端信号，提升测试系统灵敏度。但在实际测试中，放大器同时会产生许多假信号，对正常信号的捕捉以及测试结果分析造成不利影响。针对这一问题，本文将结合放大器的各项指标对假信号产生的原因及消除办法进行分析探讨。
2 低噪声放大器主要指标介绍
低噪声放大器主要指标有噪声系数、噪声温度、动态范围、增益、增益平坦度、工作频带、线性度等。
噪声系数与噪声温度是表征放大器噪声的指标。噪声系数定义为放大器输入、输出端的信噪比之比。它的物理意义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏，信噪比下降的倍数就是噪声系数。放大器的噪声系数Nf与诸多因素有关，如固态器件自身的噪声（包括热噪声、闪烁噪声及沟道噪声）、电路中的损耗、外加偏压等。随着晶体管工艺技术的进步，低噪声放大器的噪声系数越来越小，用噪声系数表征方法很不方便，因此改用噪声温度的表示方法。噪声温度Tc与噪声系数Nf的关系为Tc=To(Nf-1)。
动态范围是指低噪声放大器输入信号允许的最小功率和最大功率的范围。放大器动态范围上限受非线性指标的限制，基本取决于末级放大器的功率容量，下限基本取决于放大器的噪声系数。
放大器的增益是指通过放大器放大后的信号功率与输入放大器功率的比值。物理含义是LNA对信号的放大倍数。
增益平坦度是指工作频带内功率增益的起伏，通常用最高增益与最低增益之差来表示。
工作频带指放大器工作的fmin-fmax范围，它不仅指功率增益满足平坦度要求的频率范围，而且要求全频带内噪声满足要求，并给出各频率点的噪声系数。低噪声放大器的噪声系数是其主要指标，而在宽频带情况下难以获得很低的噪声系数，所以低噪声放大器的工作频带不太宽，一般为20％左右。
和所有器件一样，放大器也有线性动态范围。在此动态范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加，称为线性放大器，输入输出功率之比即为放大器功率增益。随着输入功率的继续增大，放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增加而线性增加。通常把增益下降到比线性增益低1 dB时的输出功率值定义为输出功率的1 dB压缩点，用P-1 dB表示（见图1）。
图1 输出功率示意图
图1中，O2为1dB压缩点输出功率，O3为饱和点功率。当输入功率大于G2后，放大器逐渐进入饱和状态，失去放大作用。
3 低噪声放大器互调干扰产生原因及分析
在放大器各项指标中，噪声系数（噪声温度）和线性度指标对电磁环境测试系统影响最大。低噪声放大器是接收天线以下第一个进行信号处理的器件，甚至可以认为LNA的噪声系数决定了整个测试系统的噪声系数。尽管低噪声放大器处于接收系统的前级，基本上工作于弱信号状态，但高增益情况仍可能使放大器末级进入非线性区，从而使信号各频谱分量间产生交叉组合频率，形成互调干扰。例如，非线性器件的输入u(t)与输出y(t)的关系是y(t)=u(t)+u2(t)，其中t是时间，当输入信号是包含频率f1、f2的信号u(t)=cos2pf1t+cos2pf2t时，输出y(t)中不仅包含输入信号f1、f2,而且还会出现2f1、2f2、f1 f2等新的频率成分,这些新的频率称为互调。
对于理想的放大器，输出信号应该仅与当前输入放大器信息有关，而且放大器的幅度增益和相位偏移不随输入信号和外部环境变化。实际的放大器通常使用半导体材料制成，不可避免地具有一定的非线性特征。同时，电磁环境测试使用的低噪声放大器，其增益一般在30 dB以上，由于低噪声器件的使用，其输出P-1 dB压缩点不超过＋10 dBm。在放大器P-1 dB压缩点附近，其非线性已经非常严重，三阶互调一般在-10 dBc～-15 dBc。即使将输出信号功率降低10 dB，其输出P-1 dB压缩点在0 dBm，即输入信号功率在－30dBm左右时，按照输出降低1 dB互调大约改善2 dB的规律，此时的三阶互调也达到-30 dBc～-35 dBc。这就造成在测试频谱图中有很多互调信号存在（如图2、图3所示）。
图2 低噪声放大器引起的互调信号频谱图
图3 低噪声放大器引起的互调信号频谱图
由于目前城市环境中移动通信基站和各种发射机密布，通常使用的宽带低噪声放大器在这种电磁环境中的输入信号总功率往往可以达到-30 dBm以上，这样的输入信号强度将使低噪声放大器的输出级进入严重的非线性工作区。如果低噪声放大器的增益为40 dB，这个极限值还将降低10 dB左右，即输入信号功率为-40 dBm左右，将使LNA进入非线性工作区。因此，在电磁环境测试时选择低噪声放大器并不是其增益越高越好，只要测试系统灵敏度满足要求，即便选择增益较低的放大器，也可以有效减小互调信号对测试的影响。
4 消除低噪声放大器互调干扰的办法
对于测试系统灵敏度要求较高的测试任务，在高增益放大器前端接入一个相应频率的带通滤波器，可以有效降低放大器的测试带外功率，使放大器远离非线性区，由非线性带来的互调也随之大幅降低甚至消失，使得带内测试的信号更加真实（如图4、图5所示）。
(图4 不加滤波器的系统采集的851MHz～866MHz频谱图)
图4是加放大器的测试系统采集的851 MHz～866 MHz频谱图，图中本底噪声起伏很大，且有很多互调产物。从图中很难分辨出实际存在的信号和放大器产生的假信号。
(图5 加带通滤波器的低噪声放大器测试效果图)
图5是图4在同等测试条件下在放大器前端加上滤波器采集的851 MHz～866 MHz频谱图。图中频谱信号清楚明了，说明滤波器有效地消除了放大器产生的假信号。
目前适合在低噪声放大器前使用的滤波器有声表面滤波器、LC滤波器和腔体滤波器等，其特性各不相同。声表面滤波器的带外抑制好、体积小、重量轻，但带内插入损耗略大，一般在3 dB以上，并且频率种类不多，带宽也不大，一般常用于移动通信频段。
LC滤波器可以任意定制频段，其插入损耗要优于声表面滤波器，一般在3 dB以下，但其温度稳定性稍差，并且受器件分布参数影响其频率上限往往不超过2 GHz，Q值也远远低于其他两种滤波器，直接影响到其带外抑制指标。
腔体滤波器具有很高的Q值，带外抑制也很好，插入损耗是这几种滤波器中最小的，一般不会超过1.5 dB，并且可以工作在很高的频率上，但其重量和体积要远远大于其他几种滤波器。
5 结论
在进行电磁环境测试时，对于测试系统灵敏度有较高要求的测试任务，通常需要在测试系统中加入低噪声放大器，放大天线端信号，提升测试系统灵敏度。在选择低噪声放大器时并不是其增益越高越好，只要测试系统灵敏度满足要求，选择增益较低的放大器也可以有效减小互调信号对测试的影响。
当测试位置电磁环境复杂，附近有大功率基站或进行公网基站测试时，在使用低噪声放大器时，应在其前端加相应频段的滤波器，降低放大器的测试带外功率，使放大器远离非线性区，以达到良好的测试效果。
