ミキサー前とミキサー後のLNA：レシーバーのアーキテクチャ
レシーバーの設計では、ミキサーを基準としたLNAの配置がシステムの雑音指数とダイナミック・レンジに大きく影響します。Friis の式から、アーリー・ゲイン (LNA ファースト) は、後続ステージのノイズ寄与を減らすだけでなく、ダイナミック・レンジも圧縮することがわかります。適切なアーキテクチャを選択するかどうかは、アプリケーションの感度とリニアリティの要件によって異なります。
ミキサー前の LNA (標準レシーバー)
標準のスーパーヘテロダイン受信機は、LNAをミキサーの前の最初のアクティブステージとして配置します。LNAのゲインはミキサーとそれ以降のステージのノイズ寄与を抑制し、可能な限り最高のノイズ指数を達成します。
Advantages
- 最高のノイズ指数 — LNAゲインはG_LNAによるミキサーのノイズ寄与を低減します
- Friis フォーミュラ:NF_Sys ≈NF_LNA + (NF_Mixer − 1) /G_LNA
- 弱信号アプリケーション（衛星、電波天文学）に必要
- すべてのセルラー、WiFi、ブルートゥースレシーバーに標準装備
Disadvantages
- LNAゲインは入力ダイナミックレンジを狭める—大きな信号はLNAを飽和させる
- LNA IIP3リミットシステムIIP3 — 相互変調製品が早期に登場
- 強力な隣接チャネルによるブロッキングの影響を受けやすい
When to use
衛星地上局、IoT、WiFi、セルラーアップリンク、電波天文学など、感度が主な問題となる受信機には、LNA-firstを使用してください。
LNA（高直線性レシーバー）の前のミキサー
一部の専用受信機は、最初に信号をダウンコンバートするために、LNAの前にフィルターとミキサーを配置します。これにより、入力のダイナミック・レンジは維持されますが、ミキサーの損失をノイズ指数で割った分だけシステム・ノイズ指数が増加します。
Advantages
- アンテナポートのダイナミックレンジの向上
- 強力なブロッカーが存在する場合に便利です。ミキサーは増幅前にブロッカーを処理します
- ダイレクトコンバージョンや一部の SDR アーキテクチャで使用
Disadvantages
- ノイズ指数がはるかに悪い — ミキサのNFに6～8dBの変換損失が加わる
- フロントエンドフィルターが十分な画像除去を提供する場合にのみ実行可能
- 感度が低下するため、市販の受信機ではほとんど使用されません
When to use
ミキサファーストは、ブロッキング抵抗が感度損失を上回る、高ダイナミックレンジの強い信号環境（放送送信機の近くのHF/短波受信機、レーダー）でのみ使用してください。
Key Differences
- ▸LNA優先:LNA IIP3によって制限される最高のNF、ミキサー優先:最悪のNF、より優れたダイナミックレンジ
- ▸Friisは、第1段階のゲインがG1によってその後のノイズを直接抑制することを示しています
- ▸LNA ファースト NF ≈NF_LNA; ミキサーファースト NF ≈NF_LNA + L_Mixer (標準ペナルティ 6 ～ 8 dB)
- ▸ほとんどすべての商用受信機はLNAファーストを使用しており、ミキサーファーストはニッチ（HF、レーダー）
- ▸LNAより前の減衰器は妥協点であり、減衰器の値だけNFを増加させ、IIP3を改善する
Summary
LNA-Before-Mixerは、感度に制約のあるほぼすべてのレシーバーに適しています。LNA以前のミキサーは、感度よりもダイナミックレンジが重要な強力なブロッカーが支配的な環境ではニッチな選択肢です。疑わしい場合は、まず LNA を選び、ブロッキングが懸念される場合は IIP3 の高い LNA を使用してください。
Frequently Asked Questions
なぜ第一段階がシステムのノイズ指数を支配するのでしょうか。
Friis の式から、後続の各ステージのノイズ寄与分を、それより前のすべてのステージの累積ゲインで割ります。ゲインのLNAが20dBの場合、ミキサーのノイズ寄与分は100倍減少します。これが、レシーバ・チェーンにおいてLNAの選択がノイズに関する最も重要な決定である理由です。
標準的な LNA ノイズ指数はどれくらいですか?
1～6 GHzの商用LNAは、0.3～1.5dBのNFを実現します。2.4 GHz (WiFi) では、0.8 ～ 1.2 dB が一般的です。28 GHz (5G ミリ波) では、通常は 3 ～ 5 dB です。衛星用の極低温LNA は 0.15 dB 未満の NF を達成します。
フィルターはLNAの前か後に置くべきですか？
LNAの前にバンドパス・フィルタを使用すると、帯域外ブロッカーが減少し、LNA IIP3のマージンが向上しますが、挿入損失によってシステムのNFが直接増加します。LNA の後のフィルタは NF ペナルティを回避します。正しい配置はブロッカーレベルによって異なります。高性能設計では両方を使用します (事前選択+ポストLNAイメージリジェクトフィルタ)。
一般的な LNA の IIP3 とはどのようなものですか。
LNA IIP3の範囲は、通常-5から+15dBmです。IIP3 が高いほど直線性は高くなりますが、通常は電流が大きくなります。セルラー・アプリケーションでは、+10～+20 dBm の OIP3 が標準的です。システムIIP3は、最初の非線形段階 (通常はLNAまたはミキサー) が主流です。