基站对高集成度低噪声放大器的要求

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随着无线宽带系统的频率带宽越来越宽，基站性能的要求也越来越高。低噪放，作为基站塔放中的关键器件之一，它不仅影响基站的覆盖范围，而且也决定了其他邻近基站的发射功率和杂散要求。安华高的高集成度低噪放，例如MGA-63X系列，具有好的噪声系数和线性度，完全可以满足此类基站的要求。
         
        目前，一个基站的站点通常需要安放多个无线发射器。共享站点的方式，一来可以降低同一区域的基站站点数量，二来可以降低各种服务成本。为满足这两个要求，基站的接收链路需具有如下两个特点：高接收灵敏度和高带内/带外杂散的抑制能力。
         
        接收灵敏度用来表示接收器的弱信号接收能力。具体公式如下：
       
           
          其中BW是指信号带宽，SNR是指特定信号的信噪比，F是指系统的噪声系数。
        根据Friiss方程，系统的噪声系数可以表述为：
       
           
          其中Gn是指接收链路中第n级放大器的增益，Fn是指接收链路中第n级放大器的噪声系数。从公式中可以看出，接收链路中的第1级放大器的噪声对系统噪声的贡 献远远大于其它放大器的噪声对系统噪声的贡献。因此，低噪声放大器（LNA）作为接收链路的第一级放大器对减小系统噪声，提高系统的接收灵敏度具有很大的 帮助。
         
        目前的基站一般将LNA放置在靠近天线的塔放内。由于减少了塔放和基站地面部分之间的连接电缆的长度，这种方式将有助于降低 系统的噪声系数，并提高整个系统的接收灵敏度。然而，保证收发共用一根天线的双工器和预防带外阻塞的滤波器由于一定位于比LNA更靠近天线的位置，因此它 们的插入损耗也必然会增加系统的噪声系数。这时，就需要通过降低LNA的噪声，来抵消掉双工器和滤波器额外产生的噪声，以保证整个系统的噪声系数。
           
          在基站中使用的LNA除了噪声系数这个指标以外，其他的性能指标也是非常关键的。比如高增益，用于补偿塔放和基站地面部分的连接电缆损耗；高线性度，用于保证在强信号下，系统内部信道之间的干扰不会引起信号失真等等。
           
          安华高 MGA-63X系列的特性
          安华高的微波单芯片高集成电路（MMIC）MGA-63X系列低噪声放大器采用了最好的降噪技术。例如，器件封装采用了2×2×0.75mm的8-pin QFN技术，可以有效减少由于连接线不连续性造成的功率反射。系列中的每个器件都具有相同的管脚定义和封装，方便客户使用同样的PCB，只需要更改单个器 件，就可以直接覆盖从400MHz到4GHz的频率范围。
           
          MGA-63X系列低噪放采用的是具有安华高专利 的0.25微米特征尺寸的砷化镓增强型模式，ePHEMT制程。这使得低噪放的目标增益（在0.9GHz大于17dB）在只使用一个晶体管的情况下就可以 达到。整个制程过程也保证内部互联产生的Johnson噪声最小。另外，通过使用高导电的金属材料使得其噪声系数可以和陶瓷封装的器件相比。
         
        MGA- 63X系列低噪放的生产技术有助于其抵制强信号的阻塞。信号阻塞会导致接收链路的增益降低，噪声增加。一个不同步的干扰信号，比如同一位置的功率发射器， 或者一个同步的干扰源，比如环行器或者双工器的泄漏信号，都有可能引起阻塞现象。具有较高的增益压缩门限的器件可以适度的抑制阻塞。增益压缩是放大器的一 个非线性指标，其位于放大器的线性区域之外。生产制程的低拐点电压可以允许一个大的电压摆动在被消峰前存在，从而使得器件具有了高的增益压缩门限。
           
          MMIC本身由一个单个的FET共源放大器和一个动态偏压调制器组成，如下图。
           

       

         

          动态偏压可以提高低噪放的线性度，源电感Ls有助于兼顾良好的输入回波损耗和较低的噪声系数。
        由于调整器和低噪放晶体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。这种作用一方面通过校准温度的偏移来帮助确保Ids的温度稳定度，另一方面有助于补偿在晶圆工作时的跨导变化。这些技术已全部应用在MGA-63X系列LNA。
         
        偏压调整器可以通过改变外部的电压（Vbias）来调整低噪放的静态电流（Ids）。其驱动电流（Ibais<1mA）和大多数的CMOS器件相当。可以直接连接到系统的控制器引脚，然后控制低噪放的开关状态使其应用在时分模式。
           
          可 调节的偏压特性使得工程师在使用器件时需要在功耗和线性度上做取舍。在不需要高线性度的应用中，工程师可以通过增加Rbias（正常为6.8k欧姆）的电 阻来达到省电的目的。或者在增益和输出功率变化不大（&Delta;G和&Delta;P1dB&le;0.5dB）的情况下，通过改变Idd的电流（25～75mA），使得低噪放的 OIP3产生大约10dB的变化。这使得具有微控制器控制Vbias的低噪放对频谱拥挤的自适应能力大大增强。
         
        无论是晶体管的设计 还是偏压调整器的工作，都在尽量避免使用额外的匹配网络。主要是担心会带来插入损耗和噪声系数的增加。晶体管的几何结构和它的标准电流已经可以保证其输入 阻抗在50欧姆附近。内部集成的动态偏压调整器通过外加电阻的方式也可以保证其不影响低噪放的输入阻抗。这些措施都是用来保证低噪放不需要外加的输入匹 配，帮助获得最小的噪声系数。
           
          评估板的性能
        为评估MGA-63X系列低噪放的特性，安华高制作了MGA-633P8的demo板，并在最少外围器件的情况下，测试了其900MHz的特性。外围器件的值是通过简单的仿真获得，没有进行最优化仿真设计。更多的EVB的仿真信息请参考安华高的应用文档AN-5457。
        MGA-633P8的DEMO板原理图如下：

       

           
          在上图中，输入电感L1仅具有射频信号抑制器的功能，低噪放的输入损耗对输入谐振器的空载Q值并不是特别灵敏。仿真显示，输入谐振器空载Q值在20到100 的范围内变化，噪声系数的变化量小于0.05。这表明，无论是使用0402的多层贴片电感还是使用空心的绕线电感，对低噪放的都影响很小。对输入谐振器的 低要求主要用来确保低噪放设计的低成本和小尺寸。
         
        EVB的制作图例如下：

       

           
          图 中PCB的尺寸为21.5×18×1.4mm，PCB板材有两层，顶层为Rogers的RO4350，厚度为10mil，底层为低成本的FR4，厚度为 1.2mm，二者的接地铜箔紧紧的结合在一起。射频连接器是Johnson的SMA接头，DC电源接头是2-pin的连接器，被动元件的尺寸都是0402 的，这样整个元器件区域的大小约为8×10mm2。
           
          EVB的测试结果如下图：

       

         
          在900MHz，低噪放的噪声大约为0.3dB，增益大约为18dB，输入和输出回波损耗为小于-15dB。另外，在1GHz的带宽内，回波损耗都可以满足 这个要求。从系统的角度来说，这个是非常受欢迎的特性。主要是由于传统的基站需要靠隔离器或者3dB耦合器来满足系统回波损耗的要求。进一步来说，输入输 出匹配的宽带宽也使得基站的双工器或者输入输出滤波器的使用调试变得简单，降低了系统的设计复杂度。
         
        虽然MGA-63X系列低噪放的主要目标市场是窄带的蜂窝基站，但是从其EVB上展现的RF特性（在400MHz～1400MHz范围内，噪声小于0.4dB，回波损耗小于-10dB）来看，它也可用于有线/卫星电视分布系统、军品、扫描仪、多功能收音机等各种产品。
           
          从EVB的测试结果可以得出结论：MGA-63X系列低噪放给基站的设计师提供了很多即实用又价值高的功能。除了有高线性度、低噪声系数这样蜂窝通信必需的 特性外，MGA-63X系列低噪放还提供了：高增益的特性，以保证信号链路在经过双工器和滤波器的损耗后，还有足够的增益余量；动态偏压控制，以调节信号 链路的功耗和线性度；内部50欧姆阻抗匹配，以减少外部网络匹配器件。