WiMAX接收链使用集成旁路开关低噪声放大器的优势

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从根本上大家已经认同WiMAX技术会在2007年开始集成到笔记本电脑和手持式设备中，WiMAX的移动化版本802.16e使用了2～6GHz 的频带来提供移动设备非视距范围(NLOS)的数据传输能力，因此WiMAX接收链设计工程师所面对的挑战主要是多种不同传输路径所造成接收信号电平的宽广动态范围。
WiMAX接收器能够由多种不同传输路径接收信号的能力对于确保系统工作效率和数据的精确性相当重要，相对于分立式解决方案，一个较为简单、低成本、省空间，同时效率更高的解决方案是在WiMAX接收器的射频前端采用集成旁路开关的低噪声放大器(LNA)，集成旁路开关的低噪声放大器能够让接收链有多种可变的增益、功耗和线性度选择。
LNA的性能变化和选择
这里我们将讨论集成旁路开关低噪声放大器的性能表现，这款低噪声放大器会应用在以下的系统分析中。使用3V直流电源和7mA的电流，该放大器拥有15dB的增益，放大模式下1.1dB的噪声指数和旁路模式下4.5dB的插入损耗，旁路模式下的电流消耗更低于80μA，而放大和旁路模式下的输入输出回波损耗则大于10dB。这款低噪声放大器在设计上还考量到在旁路模式和放大模式间切换时的阻抗变化要降到最低，避免造成不匹配的问题，因此相同的匹配电路可以同时应用在两种模式下。相对于分立式解决方案，这样做不但可以简化外部电路，同时还可缩小电路板占用空间并降低生产成本，图1显示了LNA的相关工作电路和简化的内部结构，图2是放大模式和旁路模式下的射频性能表现。

图1 低噪声放大器的应用电路

图2 放大模式(左)和旁路模式(右)下的射频性能表现

系统分析
图3是WiMAX接收器射频前端的简化方块图，其中两个低噪声放大器都可分别切换成放大模式或旁路模式，带来接收链不同的性能表现选择。当第一级和第二级的低噪声放大器都在放大模式时，电路为高增益低噪声指数状态，可以用来检测微弱的输入信号，第一级低噪声放大器的低噪声指数对于微弱输入信号相当重要，因为第一级低噪声放大器电路上的2dB噪声指数可能会造成系统的噪声指数降到3.61dB。

图3 WiMAX接收器的射频前端

对于输入功率较高的情况，第二级低噪声放大器可以切换到旁路模式，以便在不牺牲过多系统噪声指数的情况下维持信号的高线性度，原因是系统的噪声指数主要由前级电路决定，通过旁路开关的协助改善系统信号线性度并进行较高功率信号的部分增益衰减，设计工程师可以为后级电路设定较低的线性度要求，改善高线性度器件可能会带来较高成本，同时消耗较大电流的情形。
当接收器接近基站时，所接收的信号可能太强而让后级电路进入饱和状态，造成非线性化的信号输出，在这样的情况下，两个低噪声放大器都可以切换到旁路模式来对强大的接收信号进行衰减，保护后级电路不会发生过载情形。
表1显示了集成旁路开关的LNA如何有效管理不同功率大小的输入信号，并基于图3中所显示的参数进行系统分析，通过将第一和第二级低噪声放大器在放大模式和旁路模式间切换，接收器将能够确保由多种不同传输路径所带来的射频输入信号不会造成接收器后级电路进入非线性工作模式。

表1 串接两级集成旁路开关LNA的系统分析

除了接收器动态范围的挑战外，目前的移动设备更配备了通常需要消耗更多功率的多重功能，但有限的电池容量会带来限制，因此移动设备的另一个重要设计要求是在维持良好性能表现的同时，还能拥有高效的功耗控制。集成旁路开关的低噪声放大器可以改善移动设备的功耗并延长它的电池续航力，在不需要高增益时，低噪声放大器可以切换到旁路模式，而旁路模式下的电流消耗更可以低达μA等级。
结论
设计工程师在面对需要设计出能够提供足够动态范围WiMAX接收器的艰难任务时，可以通过使用集成旁路开关的LNA来加以简化，集成旁路开关的LNA是扩展接收器动态范围的一个有效途径，同时能够在宽广的动态范围下带来更为可靠的性能表现。