Warum ein guter LNA der Schlüssel zu einem brauchbaren Antennen-Frontend ist

Eine der ersten Lektionen über HF- und drahtlose Verbindungen, die jeder Student lernt, ist, dass Antennen dem Reziprozitätsprinzip folgen. Das bedeutet, dass die Sende- und Empfangscharakteristiken einer Antenne identisch sind, ohne dass sich Eigenschaften wie Sende- oder Empfangsgewinn, Strahlungsbreite oder Strahlungsdiagramm zwischen den beiden Betriebsarten unterscheiden. Wenn Sie die Spezifikationen der Antenne im Sendebetrieb kennen, dann kennen Sie sie auch im Empfangsbetrieb. Natürlich bestehen Antennen für die Übertragung höherer Leistungen oft aus physisch größeren Elementen, um die Leistung zu bewältigen, aber die Reziprozität bleibt bestehen.

Es gibt einige Forschungsarbeiten zu nicht-reziproken Antennen, die Meta-Oberflächen und Meta-Linsen verwenden, aber sie befinden sich in der Entwicklungsphase und sind hier nicht von Belang.

Die Reziprozität ist sicherlich ein vereinfachendes Konstruktionsprinzip, aber zu den sende- und empfangsseitigen Antennenpfaden gehört viel mehr als nur die Antenne. Die Sendeseite hat eine recht einfache Aufgabe, da es sich um eine deterministische Funktion handelt: Sie nimmt ein bekanntes, relativ starkes Signal mit definierten Eigenschaften, das den Leistungsverstärker (PA) durchlaufen hat, und „präsentiert“ es der Antenne. Es gibt nur wenige Unbekannte im Pfad, außer dem detaillierten Inhalt des Signals, das den Träger moduliert, und das ist weitgehend (aber nicht vollständig) von sehr geringer Bedeutung für die Antenne.

Der Signalpfad des Empfängers hingegen arbeitet in einem viel schwierigeren, zufallsähnlichen Szenario. Er muss irgendwie eine winzige Menge an HF-Signalleistung lokalisieren und einfangen und als elektromagnetischer (EM) Feldwandler fungieren, um diese Leistung in eine nutzbare Spannung umzuwandeln. Dies muss trotz bandinternem Rauschen und Interferenzen verschiedener Arten und Quellen sowie einer gewissen Senderdrift und bei einigen Anwendungen sogar Doppler-induzierten Frequenzverschiebungen gelingen.

Diese Empfangsleistung ist recht gering, in einigen Fällen in der Größenordnung von Milliwatt (mW) und in den meisten Fällen von Mikrowatt (µW), so dass die entsprechende Spannung an der Antenne in der Regel in der Größenordnung von Mikrovolt liegt. Die Spannung ist zu klein, um in den meisten Fällen direkt für die Demodulation verwendet zu werden, daher liegt die Antwort auf der Hand: einfach verstärken. Zur Veranschaulichung: Die empfangene Signalleistung für GPS-Signale liegt in der Regel zwischen -127 und -25 Dezibel (dB) bezogen auf ein Milliwatt (dBm), und brauchbare Wi-Fi-Signale liegen zwischen -50 dBm und -75 dBm.

Niedriger SNR ist ein zusätzliches Problem

Die Antwort auf die Frage nach der Verstärkungslösung sagt nur einen Teil der Geschichte des Empfängers aus. Es ist nicht schwer, selbst ein Mikrovolt-Signal um mehrere Größenordnungen zu verstärken. Das ursprüngliche Signal enthält jedoch auch Rauschen, und was die Fähigkeit zur Demodulation und Dekodierung des empfangenen Signals wirklich beeinflusst, ist sein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Jede Verstärkung des empfangenen Signals führt auch zu einer Verstärkung des eingebetteten Rauschens. Die Verwendung einer größeren Antenne mit höherer passiver Verstärkung erhöht die empfangene Signalleistung, aber das empfangene SNR bleibt unverändert.

Eine der wichtigsten Messgrößen für die Systemleistung ist die Bitfehlerrate (BER) im Verhältnis zum SNR (Abbildung 1). Die Besonderheiten dieser Kurven hängen von vielen Faktoren ab, wie z. B. der empfangenen Signalstärke, dem SNR und der Art der Fehlerkorrekturcode-Codierung (ECC) der Rohdaten beim Sender. Aus diesem Grund zeigen die detaillierteren Diagramme die BER im Verhältnis zum SNR für den unkorrigierten Bitstrom und das korrigierte Bitmuster (QAM = Quadraturamplitudenmodulation).

Abbildung 1: Die Standarddarstellung der BER im Verhältnis zum SNR gibt Aufschluss über die Systemleistung. Es ist zu beachten, dass fortschrittlichere Modulationsverfahren wie 256-QAM die effektive Datenrate erhöhen können, allerdings zu Lasten der BER bei einem bestimmten SNR. (Bildquelle: Julia Computing, Inc.)

Was sind typische SNR-Werte, die zu einer erfolgreichen Demodulation mit akzeptabel niedriger BER führen? Es gibt natürlich keine allgemeingültige Antwort, aber ein akzeptabler SNR für Wi-Fi-Signale liegt bei 20 bis 40 dB, 40 bis 50 dB für ein altmodisches, rein analoges Fernsehgerät und ungefähr das Gleiche für Mobilfunkverbindungen.

Es gibt natürlich auch extreme Beispiele: So werden immer noch Signale von den Raumsonden Voyager 1 und Voyager 2 empfangen, die beide 1977 gestartet wurden und inzwischen über 11 Milliarden Meilen von der Erde entfernt sind. Diese Signale kommen hier von ihren 23-Watt-Sendern mit einer Signalleistung von weniger als einem Attowatt (ein Milliardstel eines Milliardstels eines Watts) und einem SNR von nur wenigen dB an. Um dies bis zu einem gewissen Grad zu kompensieren, wird ihre Datenrate jetzt auf etwa 100 Bit/Sekunde (bit/s) gedrosselt, statt wie bisher auf mehrere Kilobit/Sekunde (Kbit/s), als die Distanz noch viel kürzer und die empfangene Signalstärke viel höher war.

LNAs als Retter in der Not

Es gibt ein technisches Klischee, das aus den Anfängen der „drahtlosen“ Technik stammt und immer noch zutrifft: Wenn es keine Störungen gäbe, wären die meisten Systementwürfe viel, viel einfacher. Dies gilt aus einem einfachen Grund für die Antennenverbindung eines Empfängers. Der Verstärker, der benötigt wird, um das schwache Empfangssignal zu „verstärken“, trägt sein eigenes Rauschen zu diesem Signal bei, ebenso wie die Verbindungskabel zwischen Antenne und Empfänger-Frontend.

Die Notwendigkeit, das empfangene Signal zu verstärken, stellt ein Dilemma dar. Einerseits ist das unverstärkte Signal zu schwach, um nützlich zu sein; andererseits erhöht die Verstärkung die Signalgröße, verschlechtert aber auch den SNR und damit die potenzielle Verbindungsleistung. Dieses Dilemma lässt sich weitgehend dadurch lösen, dass man einen Verstärker wählt, der so wenig Rauschen wie möglich verursacht.

Für den rauscharmen Frontend-Verstärker (LNA) sind zwei Parameter von primärem Interesse: wie viel Rauschen er dem Signal hinzufügt und wie viel Verstärkung er liefern kann. LNAs, die mit hochspezialisierten analogen Prozessoren hergestellt werden, sind für eine Sache besonders gut geeignet (Verstärkung mit geringem Eigenrauschen) und eignen sich nicht für andere Anwendungen als LNAs.

Ein Beispiel dafür ist der SKY67180-306LF von Skyworks Solutions, ein zweistufiger LNA mit hoher Verstärkung für Anwendungen im Bereich von 1,5 bis 3,8 Gigahertz (GHz), wie z. B. Mobilfunk-Repeater und Klein-/Makrozellen-Standorte für LTE-, GSM- und WCDMA-Anwendungen sowie S-Band- und C-Band-Empfänger mit extrem niedrigem Rauschen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der SKY67180-306LF von Skyworks Solutions ist ein zweistufiger LNA mit 31 dB Verstärkung für 1,5 bis 3,8 GHz mit 0,8 dB NF; die erste Stufe ist für eine niedrige Rauschzahl optimiert, während die zweite Stufe zusätzliche Verstärkung bietet. (Bildquelle: Skyworks Solutions)

Die erste Stufe dieses 16-poligen QFN-Bausteins verwendet GaAs-pHEMT-Transistoren für eine extrem niedrige Rauschzahl (NF), während die Ausgangsstufe (Heterojunction-Bipolartransistoren) eine zusätzliche Verstärkung bei dieser Frequenz sowie eine hohe Linearität und Effizienz bietet. Das Ergebnis ist ein LNA mit einem Grundrauschen (NF) von 0,8 dB und 31 dB Verstärkung bei 3,5 GHz.

Ein weiterer kritischer Punkt ist die Frage, wo der LNA platziert werden soll; es ist natürlich einfacher, ihn zusammen mit dem Rest des Empfängerschaltkreises unterzubringen. Dies bedeutet jedoch, dass das unvermeidliche thermische Rauschen des Kabels, das das verstärkte Signal vom LNA zum System überträgt, dem unverstärkten Signal hinzugefügt wird, was den SNR weiter verringert. Aus diesem Grund wird der LNA selbst bei Verbraucheranwendungen wie VSAT-Satellitenantennen (Very Small Aperture Terminal) direkt im Brennpunkt der Antenne platziert.

Fazit

Obwohl die Funktionen von Antennensendern und -empfängern dem Prinzip der Gegenseitigkeit (Reziprozität) folgen, weichen ihre tatsächlichen Aufgaben voneinander ab. Für viele HF-Antennensituationen ist ein dedizierter LNA oft die beste oder einzige Möglichkeit, den empfangenen Signalpegel auf einen brauchbaren Wert zu erhöhen und dabei nur minimale Auswirkungen auf das SNR zu haben. Es sind spezialisierte LNAs erhältlich, die auf bestimmte Frequenzbänder und Verstärkungswerte zugeschnitten sind, die das Dilemma zwischen Signalpegel und SNR lösen können.

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„Rauscharme Verstärker maximieren die Empfindlichkeit des Empfängers“

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

Referenzen

• Erhöhen Sie die Breitbandgeschwindigkeit, „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“