基站對(duì)高集成度低噪聲放大器的要求

2016-11-02 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

隨著無線寬帶系統(tǒng)的頻率帶寬越來越寬,基站性能的要求也越來越高。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。安華高的高集成度低噪放,例如MGA-63X系列,具有好的噪聲系數(shù)和線性度,完全可以滿足此類基站的要求。

目前,一個(gè)基站的站點(diǎn)通常需要安放多個(gè)無線發(fā)射器。共享站點(diǎn)的方式,一來可以降低同一區(qū)域的基站站點(diǎn)數(shù)量,二來可以降低各種服務(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,Fn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),就需要通過降低LNA的噪聲,來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。

安華高 MGA-63X系列的特性

安華高的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)制程過程也保證內(nèi)部互聯(lián)產(chǎn)生的Johnson噪聲最小。另外,通過使用高導(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。

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,如下圖。

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校準(zhǔn)溫度的偏移來幫助確保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)整器可以通過改變外部的電壓(Vbias)來調(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,工程師可以通過增加Rbias(正常為6.8k歐姆)的電阻來達(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)。

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。

MGA-633P8的DEMO板原理圖如下:

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確保低噪放設(shè)計(jì)的低成本和小尺寸。

EVB的制作圖例如下:

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。

EVB的測(cè)試結(jié)果如下圖:

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)的角度來說,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耦合器來滿足系統(tǒng)回波損耗的要求。進(jìn)一步來說,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。

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