【導(dǎo)讀】大家都知道，低噪放作為基站塔放中的關(guān)鍵器件之一，它不僅影響基站的覆蓋范圍，而且也決定了其他鄰近基站的發(fā)射功率和雜散要求。本文將為大家詳細(xì)介紹高集成度低噪聲放大器用于基站的相關(guān)要求。
目前，一個(gè)基站的站點(diǎn)通常需要安放多個(gè)無(wú)線發(fā)射器。共享站點(diǎn)的方式，一來(lái)可以降低同一區(qū)域的基站站點(diǎn)數(shù)量，二來(lái)可以降低各種服務(wù)成本。為滿足這兩個(gè)要求，基站的接收鏈路需具有如下兩個(gè)特點(diǎn)：高接收靈敏度和高帶內(nèi)/帶外雜散的抑制能力。
接收靈敏度用來(lái)表示接收器的弱信號(hào)接收能力。具體公式如下：
其中BW是指信號(hào)帶寬，SNR是指特定信號(hào)的信噪比，F(xiàn)是指系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。
根據(jù)Friiss方程，系統(tǒng)的噪聲系數(shù)可以表述為：
其中Gn是指接收鏈路中第n級(jí)放大器的增益，F(xiàn)n是指接收鏈路中第n級(jí)放大器的噪聲系數(shù)。從公式中可以看出，接收鏈路中的第1級(jí)放大器的噪聲對(duì)系統(tǒng)噪聲的貢 獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它放大器的噪聲對(duì)系統(tǒng)噪聲的貢獻(xiàn)。因此，低噪聲放大器(LNA)作為接收鏈路的第一級(jí)放大器對(duì)減小系統(tǒng)噪聲，提高系統(tǒng)的接收靈敏度具有很大的 幫助。
目前的基站一般將LNA放置在靠近天線的塔放內(nèi)。由于減少了塔放和基站地面部分之間的連接電纜的長(zhǎng)度，這種方式將有助于降低 系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，并提高整個(gè)系統(tǒng)的接收靈敏度。然而，保證收發(fā)共用一根天線的雙工器和預(yù)防帶外阻塞的濾波器由于一定位于比LNA更靠近天線的位置，因此它 們的插入損耗也必然會(huì)增加系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。這時(shí)，就需要通過(guò)降低LNA的噪聲，來(lái)抵消掉雙工器和濾波器額外產(chǎn)生的噪聲，以保證整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。
在基站中使用的LNA除了噪聲系數(shù)這個(gè)指標(biāo)以外，其他的性能指標(biāo)也是非常關(guān)鍵的。比如高增益，用于補(bǔ)償塔放和基站地面部分的連接電纜損耗;高線性度，用于保證在強(qiáng)信號(hào)下，系統(tǒng)內(nèi)部信道之間的干擾不會(huì)引起信號(hào)失真等等。
以MGA-63X系列為實(shí)例
微波單芯片高集成電路(MMIC)MGA-63X系列低噪聲放大器采用了最好的降噪技術(shù)。例如，器件封裝采用了2×2×0.75mm的8-pin QFN技術(shù)，可以有效減少由于連接線不連續(xù)性造成的功率反射。系列中的每個(gè)器件都具有相同的管腳定義和封裝，方便客戶使用同樣的PCB，只需要更改單個(gè)器件，就可以直接覆蓋從400MHz到4GHz的頻率范圍。
MGA-63X系列低噪放采用的是具有安華高專利 的0.25微米特征尺寸的砷化鎵增強(qiáng)型模式，ePHEMT制程。這使得低噪放的目標(biāo)增益(在0.9GHz大于17dB)在只使用一個(gè)晶體管的情況下就可以 達(dá)到。整個(gè)制程過(guò)程也保證內(nèi)部互聯(lián)產(chǎn)生的Johnson噪聲最小。另外，通過(guò)使用高導(dǎo)電的金屬材料使得其噪聲系數(shù)可以和陶瓷封裝的器件相比。
MGA- 63X系列低噪放的生產(chǎn)技術(shù)有助于其抵制強(qiáng)信號(hào)的阻塞。信號(hào)阻塞會(huì)導(dǎo)致接收鏈路的增益降低，噪聲增加。一個(gè)不同步的干擾信號(hào)，比如同一位置的功率發(fā)射器， 或者一個(gè)同步的干擾源，比如環(huán)行器或者雙工器的泄漏信號(hào)，都有可能引起阻塞現(xiàn)象。具有較高的增益壓縮門限的器件可以適度的抑制阻塞。增益壓縮是放大器的一 個(gè)非線性指標(biāo)，其位于放大器的線性區(qū)域之外。生產(chǎn)制程的低拐點(diǎn)電壓可以允許一個(gè)大的電壓擺動(dòng)在被消峰前存在，從而使得器件具有了高的增益壓縮門限。
圖：MMIC本身由一個(gè)單個(gè)的FET共源放大器和一個(gè)動(dòng)態(tài)偏壓調(diào)制器組成
動(dòng)態(tài)偏壓可以提高低噪放的線性度，源電感Ls有助于兼顧良好的輸入回波損耗和較低的噪聲系數(shù)。
由于調(diào)整器和低噪放晶體管使用相同的制程被集成在一起，因此Vbias和VGS可以相互作用。這種作用一方面通過(guò)校準(zhǔn)溫度的偏移來(lái)幫助確保Ids的溫度穩(wěn)定度，另一方面有助于補(bǔ)償在晶圓工作時(shí)的跨導(dǎo)變化。這些技術(shù)已全部應(yīng)用在MGA-63X系列LNA。
偏壓調(diào)整器可以通過(guò)改變外部的電壓(Vbias)來(lái)調(diào)整低噪放的靜態(tài)電流(Ids)。其驅(qū)動(dòng)電流(Ibais<1mA)和大多數(shù)的CMOS器件相當(dāng)。可以直接連接到系統(tǒng)的控制器引腳，然后控制低噪放的開關(guān)狀態(tài)使其應(yīng)用在時(shí)分模式。
可調(diào)節(jié)的偏壓特性使得工程師在使用器件時(shí)需要在功耗和線性度上做取舍。在不需要高線性度的應(yīng)用中，工程師可以通過(guò)增加Rbias(正常為6.8k歐姆)的電 阻來(lái)達(dá)到省電的目的。或者在增益和輸出功率變化不大(ΔG和ΔP1dB≤0.5dB)的情況下，通過(guò)改變Idd的電流(25～75mA)，使得低噪放的 OIP3產(chǎn)生大約10dB的變化。這使得具有微控制器控制Vbias的低噪放對(duì)頻譜擁擠的自適應(yīng)能力大大增強(qiáng)。
無(wú)論是晶體管的設(shè)計(jì) 還是偏壓調(diào)整器的工作，都在盡量避免使用額外的匹配網(wǎng)絡(luò)。主要是擔(dān)心會(huì)帶來(lái)插入損耗和噪聲系數(shù)的增加。晶體管的幾何結(jié)構(gòu)和它的標(biāo)準(zhǔn)電流已經(jīng)可以保證其輸入 阻抗在50歐姆附近。內(nèi)部集成的動(dòng)態(tài)偏壓調(diào)整器通過(guò)外加電阻的方式也可以保證其不影響低噪放的輸入阻抗。這些措施都是用來(lái)保證低噪放不需要外加的輸入匹 配，幫助獲得最小的噪聲系數(shù)。
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評(píng)估板的性能
為評(píng)估MGA-63X系列低噪放的特性，安華高制作了MGA-633P8的demo板，并在最少外圍器件的情況下，測(cè)試了其900MHz的特性。外圍器件的值是通過(guò)簡(jiǎn)單的仿真獲得，沒有進(jìn)行最優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)。更多的EVB的仿真信息請(qǐng)參考安華高的應(yīng)用文檔AN-5457。
圖：MGA-633P8的DEMO板原理圖
在上圖中，輸入電感L1僅具有射頻信號(hào)抑制器的功能，低噪放的輸入損耗對(duì)輸入諧振器的空載Q值并不是特別靈敏。仿真顯示，輸入諧振器空載Q值在20到100 的范圍內(nèi)變化，噪聲系數(shù)的變化量小于0.05。這表明，無(wú)論是使用0402的多層貼片電感還是使用空心的繞線電感，對(duì)低噪放的都影響很小。對(duì)輸入諧振器的 低要求主要用來(lái)確保低噪放設(shè)計(jì)的低成本和小尺寸。
圖：EVB的制作圖
圖中PCB的尺寸為21.5×18×1.4mm，PCB板材有兩層，頂層為Rogers的RO4350，厚度為10mil，底層為低成本的FR4，厚度為 1.2mm，二者的接地銅箔緊緊的結(jié)合在一起。射頻連接器是Johnson的SMA接頭，DC電源接頭是2-pin的連接器，被動(dòng)元件的尺寸都是0402 的，這樣整個(gè)元器件區(qū)域的大小約為8×10mm2。
圖：EVB的測(cè)試結(jié)果
在900MHz，低噪放的噪聲大約為0.3dB，增益大約為18dB，輸入和輸出回波損耗為小于-15dB。另外，在1GHz的帶寬內(nèi)，回波損耗都可以滿足 這個(gè)要求。從系統(tǒng)的角度來(lái)說(shuō)，這個(gè)是非常受歡迎的特性。主要是由于傳統(tǒng)的基站需要靠隔離器或者3dB耦合器來(lái)滿足系統(tǒng)回波損耗的要求。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，輸入輸 出匹配的寬帶寬也使得基站的雙工器或者輸入輸出濾波器的使用調(diào)試變得簡(jiǎn)單，降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。
雖然MGA-63X系列低噪放的主要目標(biāo)市場(chǎng)是窄帶的蜂窩基站，但是從其EVB上展現(xiàn)的RF特性(在400MHz～1400MHz范圍內(nèi)，噪聲小于0.4dB，回波損耗小于-10dB)來(lái)看，它也可用于有線/衛(wèi)星電視分布系統(tǒng)、軍品、掃描儀、多功能收音機(jī)等各種產(chǎn)品。
從EVB的測(cè)試結(jié)果可以得出結(jié)論：MGA-63X系列低噪放給基站的設(shè)計(jì)師提供了很多即實(shí)用又價(jià)值高的功能。除了有高線性度、低噪聲系數(shù)這樣蜂窩通信必需的特性外，MGA-63X系列低噪放還提供了：高增益的特性，以保證信號(hào)鏈路在經(jīng)過(guò)雙工器和濾波器的損耗后，還有足夠的增益余量；動(dòng)態(tài)偏壓控制，以調(diào)節(jié)信號(hào)鏈路的功耗和線性度；內(nèi)部50歐姆阻抗匹配，以減少外部網(wǎng)絡(luò)匹配器件。
