Каковы ключевые различия между низко шумовыми радиочастотными усилителями и усилителями RF мощности?

В мире радиочастотной (RF) усилители играют жизненно важную роль в обеспечении передачи и полученных сигналов с необходимой ясностью, силой и стабильностью. От мобильных коммуникаций до спутниковых ссылок и радиолокационных систем, РФ усилители являются основой современных беспроводных сетей. Среди различных типов радиочастотных усилителей, Усилители с низким шумом (LNA) и Усилители мощности (PA) два из самых важных. Хотя оба служат общей функции усиливающих сигналов, они значительно различаются по философии дизайна, применения и параметрам производительности.

В этой статье рассматриваются ключевые различия между LNA и PAS, подчеркивая их принципы работы, приложения и компромиссные инженеры при выборе между ними.

1. Фундаментальная цель

Самое основное различие заключается в целях каждого типа усилителя.

• Усилитель с низким шумом (LNA):
  Основная роль LNA заключается в усилении слабых входящих радиочастотных сигналов при введении максимально небольшим дополнительным шумом. Когда сигналы проходят на большие расстояния, например, от спутников на землю, они теряют большую часть своей силы. LNA гарантируют, что эти слабые сигналы повышаются без утопления в системном шуме, что позволяет дальнейшим этапам приемника эффективно их обрабатывать.

• Усилитель мощности (PA):
  Цель ПА - противоположная. Он берет относительно сильный радиочастотный сигнал и повышает свою силу до уровня, достаточного для передачи на большие расстояния или посредством обструкций. Работа PA состоит в том, чтобы у исходящего сигнала было достаточно энергии, чтобы достичь предполагаемого приемника с минимальной деградацией.

По сути, LNA работают в начале цепочки сигналов (сторона приемника), пока PA работают в конце сигнальной цепочки (сторона передатчика).

2. Шумовая фигура против эффективности

• Хумовая фигура (NF) - приоритет LNA:
  Фигура с низким уровнем шума имеет решающее значение для ЛНК. Рисунок шума - это мера того, сколько шума сам усилитель добавляет к сигналу по сравнению с идеальным грузовым усилителем. Для ЛНК даже небольшое количество дополнительного шума может ухудшить общую чувствительность системы. Типичные LNA стремятся к шуму ниже 1 дБ для поддержания точности сигнала.

• Эффективность - приоритет PA:
  Для PA эффективность гораздо важнее шума. PA должен преобразовать как можно большую часть входной мощности постоянного тока в выходную мощность RF. Неэффективные усилители генерируют чрезмерное тепло, отходы и требуют дорогостоящих систем охлаждения. Эффективность часто является определяющим параметром производительности, особенно в мощных приложениях, таких как сотовые базовые станции или радар.

Таким образом, LNA оптимизированы для вклада минимального шума, пока PA оптимизированы для эффективности электроэнергии.

3. Получение требований

Как LNA, так и PA обеспечивают прирост, но требуемые уровни различаются в зависимости от их функции.

• Усиление LNA:
  LNA обычно обеспечивают умеренное усиление в диапазоне 10–30 дБ. Слишком большой прирост на ранних стадиях приемника может привести к искажению и перегрузке последующих компонентов. Цель состоит в том, чтобы обеспечить достаточное усиление, чтобы преодолеть шум следующих цепей, не насыщая их.

• PA выигрыш:
  Усилители мощности обычно обеспечивают более низкий прирост по сравнению с LNA, часто между 10–20 дБ. Их роль заключается не в создании массового усиления, а в обеспечении существенной выходной мощности (измеренной в ваттах), способной управлять антеннами. Важным является конечная выходная мощность, а не необработанное количество усиления.

Так, Усиление LNA-это улучшение отношения сигнал / шум (SNR), пока Усиление PA - это создание полезной мощности передачи.

4. Линейность против насыщения

• Линейность в LNA:
  LNA должны работать в наиболее линейной области, чтобы избежать введения искажения в сигнал. Искажение может создать ложные сигналы или продукты интермодуляции, которые скрывают слабый желаемый сигнал. Следовательно, линейность является главным дизайном для LNA.

• Насыщение в PA:
  PA, напротив, часто работают вблизи точки насыщения, чтобы максимизировать выходную мощность и эффективность. Это может привести к искажению, но поскольку сигнал передается (а не анализируется), искажение часто более терпимо. Современные системы связи используют методы линеаризации, такие как цифровое предсказание (DPD), чтобы противодействовать искажению PA.

Поэтому, Линейность доминирует в дизайне LNA, пока Насыщенность и эффективность доминируют в дизайн PA.

5. Размещение в РЧ -цепочке

Положение LNA и PA в типичной радиочастотной системе является еще одним определяющим отличием.

• Расположение LNA:
  LNA расположены сразу после антенны в цепочке приемника. Это размещение сводит к минимуму эффект потерь кабеля и компонентов перед усилением. Усипив сигнал на ранней стадии с минимальным добавленным шумом, LNA обеспечивает последующие стадии работать с сильным, чистым сигналом.

• PA размещение:
  ПА расположены прямо перед передающей антенной в цепочке передатчика. После всех стадий модуляции, фильтрации и промежуточных усилений, PA повышает окончательный сигнал, чтобы он мог эффективно проходить через свободное пространство.

Таким образом, LNA работают на передней части приемников, пока PA работают в задней части передатчиков.

6. Возможности обработки мощности

• Обработка мощности LNA:
  LNA предназначены для низких уровней входных сигналов, часто в диапазоне микроволта или милливолта. Они не могут обрабатывать сильные входные сигналы без риска перегрузки или сжатия. Высокие входные уровни могут быстро подтолкнуть LNA в нелинейность.

• PA Power Rиling:
  PAS созданы для обеспечения высокого уровня мощности высокой мощности, иногда от нескольких ватт в мобильных устройствах до сотен киловатт в вещательных передатчиках. Они должны обрабатывать большие токи и напряжения, которые требуют надежной конструкции цепи и теплового управления.

Суммируя, LNA - это чувствительные устройства, предназначенные для крошечных сигналов, пока PAS-это прочные устройства, предназначенные для мощного выхода.

7. Приложения

• Приложения LNA:

  • Спутниковая связь (чтобы захватить слабые сигналы нисходящей линии связи)
  • Радиотелескопы (для обнаружения сигналов глубокого пространства)
  • GPS -приемники (для точного позиционирования)
  • Беспроводные базовые станции (для повышения чувствительности)
  • Защитные и аэрокосмические радарные приемники

• PA заявки:

  • Мобильные телефоны (для передачи сигналов обратно на базовую станцию)
  • Вещательные станции (телевидение и радиопередача)
  • Военные радиолокационные системы (мощные импульсы)
  • Беспроводная инфраструктура (базовые станции 4G/5G)
  • Спутниковые восходящие линии (для отправки данных на орбиту)

Вместе LNA и PAS охватывают оба конца процесса беспроводной связи - охватывания и передачи.

8. Проблемы дизайна

• Вызовы LNA:

  • Достижение числа сверхжичных показателей шума без чрезмерного энергопотребления
  • Поддержание линейности в различных условиях ввода
  • Проектирование для широкой полосы пропускания при поддержании низкого шума

• ПА ПЛАГОД:

  • Управление рассеянием тепла в мощных приложениях
  • Балансировка эффективности и линейности для современных схем модуляции
  • Работа с широкими частотными полосами в таких системах, как 5G

Эти проблемы подчеркивают контрастные приоритеты: Чистота сигнала для ЛНК and Доставка питания для PAS.

9. Материалы и технологии

• LNA:
  Часто используют такие технологии, как GaAs (арсенид галлия), GaN (нитрид галлия) или CMO для производительности с низким шумом. GAAS широко используется в спутниковых LNA из -за его превосходных характеристик шума.

• PAS:
  Часто используйте GAN или LDMOS (сбочно диффузированный металлический полупроводник) для высокой эффективности и обработки мощности. Ган, в частности, превосходит в высокочастотных и мощных приложениях.

Выбор полупроводникового материала тесно связан с функцией усилителя.

10. Резюме различий

Суммировать ключевые моменты:

• LNA:

  • Фокус: минимизировать шум, максимизировать чувствительность
  • Получение: 10–30 дБ
  • Размещение: передний конец приемника
  • Приоритет: линейность и низкий уровень шума
  • Приложения: спутники, GPS, радиоастрономия

• PA:

  • Фокус: максимизировать выходную мощность и эффективность
  • Получение: 10–20 дБ
  • Размещение: передатчик задняя часть
  • Приоритет: выходная мощность и эффективность
  • Приложения: вещание, радар, 5G Networks

Заключение

Усилители с низким уровнем шума (LNA) и усилители мощности (PAS) представляют собой две стороны одной и той же монеты в РЧ -системах. В то время как LNA сосредоточены на захвате и сохранении слабых сигналов с минимальным шумом, PAS концентрируется на передаче сильных сигналов с максимальной эффективностью. Их приоритеты дизайна, размещение в цепочке сигналов и метрики производительности резко различаются, но оба являются незаменимыми для современной беспроводной связи.

По мере того, как такие технологии, как 5G, спутниковый интернет и продвинутый радар, продолжают расширяться, роли LNA и PA будут расти только в важности. Понимание их различий не только помогает инженерам разработать лучшие системы, но и гарантирует, что конечные пользователи пользуются надежным, высококачественным беспроводным подключением по всему миру.