為何優良的 LNA 是天線前端發揮作用的關鍵

對於所有在學習 RF 和無線鏈路的學生而言，首先要瞭解的功課便是：天線遵從互易原理。這表示天線的發射和接收特性是相同的，且兩個模式在諸多屬性上沒有不同，例如發射或接收增益、光束寬度，或輻射場形等。假如知道天線在發射模式下的規格，便也會知道接收模式下的規格。當然，那些進行更高功率傳輸的天線，通常以更大的實體元件製造而成，以便滿足功率處理需求，但互易原理依舊成立。

目前有一些研究在探索採用超穎表面和超穎透鏡的非互易天線，但這些研究仍在研發階段，所以不納入本文探討。

互易原理確實是一種簡化的設計原理，不過發射和接收側的天線路徑，要比天線本身複雜多了。發射側的工作相當簡單，因為這只是一種確定性功能：取得一個已定義屬性的已知且相對強烈的訊號，且訊號已通過功率放大器 (PA)，然後將訊號「呈獻」給天線。除了對載波進行調變的訊號，不知道其詳盡成分外，在天線路徑中，我們未知的部份其實很少，但這些大多 (並非全部) 對天線都無關緊要。

相較之下，接收器訊號路徑則是在更困難、隨機性的情境下運作。此路徑必須透過某種方式找到並擷取少量 RF 訊號功率，然後再當作電磁 (EM) 場傳感器，將此功率轉換成可用電壓。即便有各種類型與來源的帶內雜訊及干擾，以及某種發射器漂移，甚至是在某些應用中有都卜勒引發的頻移情形，此路徑都必須如此工作。

此情況下接收到的功率相當低，少數情況下以 mW 計，但在多數情況下以 µW 計，因此在天線上產生的對應電壓，通常是以 µV 計。在多數情況下，此電壓太小而無法直接進行解調，有個明顯的解決辦法：放大即可。具體而言，對於 GPS 訊號，接收訊號功率相對於 1 mW (dBm) 時，通常介於 -127 dB 至 -25 dB，而可用的 Wi-Fi 訊號範圍則是介於 -50 dBm 至 -75 dBm。

低 SNR 屬於互補性問題

放大解決方案只說明接收器的部分狀況。即使是 mV 的訊號，要放大幾個數量級也不難。但是，原始訊號還有雜訊，因此真正會影響接收訊號解調和解碼能力的因素在於訊噪比 (SNR)。對接收到的訊號進行任何放大，也都會放大內部的雜訊。若使用被動增益更高且尺寸更大的天線，就可提升接收訊號的功率，但接收到的 SNR 將保持不變。

系統效能的關鍵指標之一，便是位元錯誤率 (BER) 與 SNR 的關係 (圖 1)。這些曲線的細節取決於許多因素，包括接收訊號強度、SNR，以及發射器使用哪種類型的錯誤修正碼 (ECC) 對原始資料進行編碼。也因此，更詳盡的圖表會針對原始的未修正位元串流，以及修正過後的位元模式 (QAM = 正交振幅調變)，顯示其 BER 與 SNR 之間的關係。

圖 1：BER 與 SNR 的標準關係圖可揭露許多系統效能資訊；請注意，諸如 256-QAM 等更進階的調變技術，能提高有效的數據傳輸率，但在特定 SNR 下會犧牲 BER。(圖片來源：Julia Computing, Inc.)

有哪些典型的 SNR 值能在可接受的低 BER 下，成功進行解調？當然，這個問題沒有通用的答案，但可接受的 Wi-Fi 訊號 SNR 是 20 至 40 dB，舊式全類比電視是 40 至 50 dB，而行動通訊鏈路也大致相同。

當然也有極端的例子：我們仍能從航海家 (Voyager) 1 號和 2 號太空飛行器接收到訊號，兩者都是在 1977 年發射，現在距離地球已超過 110 億英哩。這些訊號是從飛行器的 23 W 發射器傳送到地球，訊號功率不到 1 aW (1 W 的十億分之一的十億分之一)，且 SNR 僅幾 dB。為了提供某種程度的補償，訊號的數據傳輸率現已下調到大約 100 bits/s，亦即從距離更近、接收訊號強度相當高時的幾 Kbits/s，一路下降。

LNA 解決難題

工程界流傳著一個源自「無線」早期的老生常談，至今依然適用：如果沒有雜訊，多數系統設計的難題勢必會簡單得多。接收器的天線鏈路也是如此，理由很簡單。若要「增強」微弱的接收訊號，就需要用到放大器，但這也會把自身的雜訊加到訊號中，天線和接收器前端間的任何互連纜線，也會有此情形。

接收訊號放大的需求會造成兩難的情況。一方面，未放大的訊號因太微弱而無法使用；另一方面，放大會增強訊號強度，但同時也會降低 SNR，因此可能有損鏈路效能。若可選擇盡可能只引進最少雜訊的放大器，就可解決此兩難問題。

前端低雜訊放大器 (LNA) 有兩個參數最為重要：有多少雜訊會加到訊號中；以及可提供多少增益。LNA 是以高度特製的類比處理器製造而成，不止能提供增益，且幾乎不會加入自身的雜訊，但不適合非 LNA 應用。

我們以 Skyworks Solutions 的 SKY67180-306LF 為例；此雙階高增益 LNA 可用於 1.5 至 3.8 GHz 的應用，例如 LTE、GSM 和 WCDMA 應用的行動通訊中繼器和小型／大型基地台，以及 S 頻帶和 C 頻帶超低雜訊接收器 (圖 2)。

圖 2：Skyworks Solutions 的 SKY67180-306LF 是雙階的 31 dB 增益 LNA，可用於 1.5 至 3.8 GHz 頻率範圍且 NF 為 0.8 dB；第一階會針對低雜訊指數進行最佳化，第二階則可提供額外增益。(圖片來源：Skyworks Solutions)

這款 16 引線 QFN 元件的第一階使用 GaAs pHEMT 電晶體來達到超低雜訊指數 (NF)，而輸出階 (異質接面雙極電晶體) 可在此頻率下提供額外增益，並且具有高線性度和高效率。因此可讓 LNA 在 3.5 GHz 下達到 0.8 dB 的背景雜訊 (NF) 和 31 dB 增益。

另一個關鍵問題是 LNA 的實際放置位置；很明顯地，較簡單的作法就是將其與剩餘的接收器電路放在一起。不過這也表示，將放大訊號從 LNA 傳至系統的纜線，其中無法避免的熱雜訊，會加入到未放大的訊號中，進一步降低 SNR。因此，即便是超小孔徑終端 (VSAT) 衛星碟型天線等消費性應用，也會將 LNA 放在天線的焦點上。

結論

雖然天線發射器和接收器功能遵從互易原理，但實際的挑戰卻與之背道而馳。在許多 RF 天線情況中，專用 LNA 通常是將接收訊號位準提升到可用數值的最佳或唯一方式，而且對 SNR 的影響最小。市面上有提供專用型 LNA，可量身訂製以用於特定頻帶，且增益值能解決訊號位準／SNR 的兩難問題。

相關內容

《充分利用 5G LNA 的特殊製程》

https://www.digikey.com/en/articles/get-the-most-out-of-exotic-processes-for-5g-lnas

《瞭解無線設計中的低雜訊和功率放大器基礎知識》

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-the-basics-of-low-noise-and-power-amplifiers-in-wireless-designs

《低雜訊放大器可發揮最大的接收器靈敏度》

https://www.digikey.com/en/articles/low-noise-amplifiers-maximize-receiver-sensitivity

參考資料

• Increase Broadband Speed, “Wi-Fi Setup Guide: What is a Good Signal Level or Signal-to-Noise Ratio (SNR) for Wi-Fi?”
• Nordic Semiconductor, “GPS functionality test”
• The Great Courses Daily, “Voyager 2” Sends Messages from Interstellar Space with Minimal Signal”
• National Radio Astronomy Observatory, “How Strong is the Signal from the Voyager 1 Spacecraft When it Reaches Earth?”
• IEEE Communications Society, “Voyager - A Space Exploration Mission Like No Other”