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滤波器放在LNA前面,灵敏度为什么掉了?

滤波器放在LNA前面,灵敏度为什么掉了?

接收链路前端加一颗带通滤波器,确实能挡掉一部分带外强信号,但它自己也会带来插入损耗。滤波器放在LNA之前还是之后,影响的不只是幅度,还会改变整机噪声系数和抗干扰能力。这个位置不能只按“滤得干净”来决定。

带外干扰少了,有用信号也小了

做接收机时,为了把附近发射机、蜂窝基站或者其他带外信号压下去,常会在天线后面放一颗SAW、BAW或者其他带通滤波器。从频谱上看,干扰确实被压住了;可一测接收灵敏度,结果反而比预期差。

这里不一定是滤波器不合格。带通滤波器在通带内也存在插入损耗,Datasheet常见1dB、2dB甚至更高的数值。它衰减的不是只有干扰,想接收的微弱信号也要先经过这一关。

这里还有一个测量上的小陷阱:滤波器本身测试条件通常是规定阻抗,比如50Ω。到了整机里,两端连接的开关、匹配网络和LNA输入不一定刚好提供同样的条件,板上得到的通带插损未必等于资料首页那一行典型值。QQ_1793761987911.png

图1:VNA测得的滤波器S参数曲线,通带插入损耗可通过S21直接观察。

假设同样一条射频链路,滤波器通带插损为2dB。若把它接在LNA前面,进入LNA的有用信号就已经减少了2dB。后面的LNA再放大,只能把剩余的信号放大,无法把前面失去的信噪比凭空补回来。

这2dB损耗,放在不同位置不一样

射频接收机的噪声系数有个很实用的特点:前面几级尤其重要。处在LNA之前的无源损耗,直接抬高整机的等效噪声系数。理想匹配、常温条件下,前置无源网络每增加约1dB损耗,整机噪声系数通常也会增加约1dB。

可以把它理解成“最弱的信号还没被第一颗放大器保护起来,就先少了一截”。而把相同的损耗放到一个有足够增益的LNA后面,它对整机噪声系数的影响通常小得多。

一款LNA的噪声系数随频率变化,器件本身的NF也需要按工作频带读取。
图2:一款LNA的噪声系数随频率变化,器件本身的NF也需要按工作频带读取。

举个理想化的例子:一颗噪声系数约1dB的LNA,前面串入2dB无源插损,忽略其他部分时,前端噪声系数就会接近3dB。数值只是为了说明损耗位置的影响,不代表每一款接收机都有同样的实测结果。

不过,这并不等于滤波器永远应该放在LNA后面。如果天线口存在很强的带外信号,LNA可能先被推入压缩区,甚至产生互调。此时先滤波再放大,虽然牺牲一点灵敏度,却可能换来更好的大信号工作能力。

ADI在宽带接收机前端设计资料里也明确提到这种取舍:为了抑制干扰,有些预选滤波必须布置在放大器之前,因为放大器自身可能先产生多信号互调产物。

同一颗滤波器,上板以后插损又变了

调试时可以先在VNA上看滤波器的S21,而不是只看型号写着多少MHz。中心频点处的插损、通带两边的起伏、板上实际匹配状态,都会影响工作频带里的信号幅度。

仪器测得的LNA噪声系数与增益曲线,测试时要确认整条测量链路的损耗。
图3:仪器测得的LNA噪声系数与增益曲线,测试时要确认整条测量链路的损耗。

如果项目的目标是提高弱信号灵敏度,就需要把滤波器、开关、连接器、走线到LNA输入的损耗一起算入预算。前端一共损失了多少dB,比单看LNA标称NF更有意义。

匹配也要放在视野里。如果滤波器输入或输出的回波损耗不好,实际链路可能不只是多了一项器件固有损耗。小范围替换器件后,S21和S11一起测,比只看输出幅度更容易知道问题究竟变在了哪里。

如果问题出现在强干扰环境,还要补看阻塞和互调表现。没有强干扰时灵敏度高,不代表现场一定更好;反过来,通带损失小,也不等于接收机足够抗堵塞。

LNA在不同装配状态下的增益与噪声系数曲线,前端环境会影响实测结果。
图4:LNA在不同装配状态下的增益与噪声系数曲线,前端环境会影响实测结果。

频段不同,答案也不一样。有的接收链路要面对离工作频带很近的大功率邻道信号,有的主要面对远处的宽带杂散。需要的滤波器选择性、通带损耗、放置位置,应该跟着最难的干扰场景走,而不是照搬参考板顺序。

做A/B对比时,最好在相同的射频输入电平、带宽和误码率或解调门限下测接收灵敏度。再结合LNA输入端的信号电平及滤波器S21,判断损失出在什么位置,避免把所有问题都算到LNA增益上。

滤波器放在LNA前面,有时候就是系统设计主动做出的妥协。项目要的是弱信号极限灵敏度,还是强干扰下还能正常接收,两个目标未必能靠同一个摆法同时做到最好。


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