LNA

Ein Rauscharm-Verstärker ist ein hochverstärkender elektronischer Verstärker, der so nah wie möglich an der Signalquelle positioniert wird, üblicherweise wenige Zentimeter entfernt oder direkt an der Antenne. Seine Aufgabe ist es, schwache eingehende Signale zu verstärken, bevor sie durch Kabel oder Schaltungen laufen, wo sie sonst im thermischen und elektronischen Rauschen untergehen würden. LNAs sind unverzichtbar in jedem System, das schwache Signale empfängt: Satelliten-Bodenstationen, Radarempfänger, Radioteleskope und Mobilfunk-Basisstationen sind alle darauf angewiesen.

Die Schlüsselkenngröße ist die Rauschzahl, gemessen in Dezibel. Ein typischer LNA hat eine Rauschzahl zwischen 0,3 und 1,5 dB, das bedeutet, er fügt zum verstärkten Signal sehr wenig Rauschen hinzu. Das ist wichtig, weil Rauschen, das früh in der Kette hinzugefügt wird, in jeder nachfolgenden Stufe zusammen mit dem Signal mitverstärkt wird. Eine raucharme Stufe am Anfang sorgt dafür, dass die Gesamtsystemleistung von diesem ersten Verstärker dominiert wird, auch wenn spätere Stufen lauter sind. Die Verstärkung liegt typisch zwischen 15 und 25 dB, genug um das Signal robust zu machen, aber nicht so hoch, dass es nachgelagerte Bauteile übersteuert.

LNAs werden aus raucharmen Transistoren gebaut, üblicherweise Galliumarsenid-Feldeffekttransistoren (GaAs FETs) oder Silizium-Germanium-Bipolartransistoren (SiGe), ausgewählt für ihr niedriges Eigenrauschen und hohe Verstärkung bei Mikrowellenfrequenzen. Das Design erfordert sorgfältige Impedanzanpassung zwischen Quelle, Transistor und Last, mit Kondensatoren und Spulen zur Kompensation von Reflexionsverlusten. Der Arbeitspunkt (Biasstrom und Spannung) muss genau eingestellt sein: zu wenig Bias und der Transistor wird laut; zu viel und Stromverbrauch und Wärmeerzeugung werden zum Problem.

Wo LNAs in einer Empfängerkette sitzen

In einem typischen Empfängersystem sitzt der LNA unmittelbar nach der Antenne oder dem Filter. Sein Ausgang verbindet sich mit einem Mischer oder einer zweiten Verstärkerstufe. Weil der LNA bei der ursprünglichen Signalfrequenz arbeitet (noch nicht herunterkonvertiert), muss er die gesamte Bandbreite von Interesse verarbeiten, von UKW bis zu Millimeterwellenfrequenzen je nach Anwendung. Bei höheren Frequenzen, über etwa 10 GHz, ist die Rauschleistung noch wichtiger, weil thermisches Rauschen einen größeren Anteil des Signalleistungsbudgets ausmacht.

Häufige Probleme sind Instabilität, bei der positive Rückkopplung zu Oszillation führt; Intermodulationsverzerrung, bei der starke Nachbarsignale unerwünschte Produkte erzeugen; und thermische Drift, bei der Temperaturänderungen Verstärkung und Rauschzahl verändern. Kühlung, Abschirmung und sorgfältiges Schaltungsdesign sind bewährte Lösungen. LNAs sind oft in Empfänger-Frontend-Module zusammen mit Filtern und Schaltern integriert, was Kabelverluste reduziert und die Systemintegration vereinfacht.