高集成度低噪聲放大器用于基站
加入技術交流群
目前，一個基站的站點通常需要安放多個無線發(fā)射器。共享站點的方式，一來可以降低同一區(qū)域的基站站點數量，二來可以降低各種服務成本。為滿足這兩個要求，基站的接收鏈路需具有如下兩個特點：高接收靈敏度和高帶內/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接收能力。具體公式如下：
其中BW是指信號帶寬，SNR是指特定信號的信噪比，F是指系統(tǒng)的噪聲系數。
根據Friiss方程，系統(tǒng)的噪聲系數可以表述為：
其中Gn是指接收鏈路中第n級放大器的增益，Fn是指接收鏈路中第n級放大器的噪聲系數。從公式中可以看出，接收鏈路中的第1級放大器的噪聲對 系統(tǒng)噪聲的貢 獻遠遠大于其它放大器的噪聲對系統(tǒng)噪聲的貢獻。因此，低噪聲放大器(LNA)作為接收鏈路的第一級放大器對減小系統(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。由于減少了塔放和基站地面部分之間的連接電纜的長度，這種方式將有助于降低 系統(tǒng)的噪聲系數，并提高整個系統(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增加系統(tǒng)的噪聲系數。這時，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生的噪聲，以保證整個系統(tǒng)的噪聲系數。
在基站中使用的LNA除了噪聲系數這個指標以外，其他的性能指標也是非常關鍵的。比如高增益，用于補償塔放和基站地面部分的連接電纜損耗;高線性度，用于保證在強信號下，系統(tǒng)內部信道之間的干擾不會引起信號失真等等。
以MGA-63X系列為實例
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。例如，器件封裝采用了2×2×0.75mm的8- pin QFN技術，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型模式，ePHEMT制程。這使得低噪放的目標增益(在0.9GHz大于17dB)在只使用一個晶體管的情況下就可以 達到。整個制程過程也保證內部互聯(lián)產生的Johnson噪聲最小。另外，通過使用高導電的金屬材料使得其噪聲系數可以和陶瓷封裝的器件相比。
MGA- 63X系列低噪放的生產技術有助于其抵制強信號的阻塞。信號阻塞會導致接收鏈路的增益降低，噪聲增加。一個不同步的干擾信號，比如同一位置的功率發(fā)射器， 或者一個同步的干擾源，比如環(huán)行器或者雙工器的泄漏信號，都有可能引起阻塞現象。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 個非線性指標，其位于放大器的線性區(qū)域之外。生產制程的低拐點電壓可以允許一個大的電壓擺動在被消峰前存在，從而使得器件具有了高的增益壓縮門限。
圖：MMIC本身由一個單個的FET共源放大器和一個動態(tài)偏壓調制器組成
動態(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。
由于調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，另一方面有助于補償在晶圓工作時的跨導變化。這些技術已全部應用在MGA-63X系列LNA。
偏壓調整器可以通過改變外部的電壓(Vbias)來調整低噪放的靜態(tài)電流(Ids)。其驅動電流(Ibais1mA)和大多數的CMOS器件相當。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狀態(tài)使其應用在時分模式。
可調節(jié)的偏壓特性使得工程師在使用器件時需要在功耗和線性度上做取舍。在不需要高線性度的應用中，工程師可以通過增加Rbias(正常為 6.8k歐姆)的電 阻來達到省電的目的?；蛘咴谠鲆婧洼敵龉β首兓淮?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產生大約10dB的變化。這使得具有微控制器控制Vbias的低噪放對頻譜擁擠的自適應能力大大增強。
無論是晶體管的設計 還是偏壓調整器的工作，都在盡量避免使用額外的匹配網絡。主要是擔心會帶來插入損耗和噪聲系數的增加。晶體管的幾何結構和它的標準電流已經可以保證其輸入 阻抗在50歐姆附近。內部集成的動態(tài)偏壓調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。
評估板的性能
為評估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，測試了其900MHz的特性。外圍器件的值是通過簡單的仿真獲得，沒有進行最優(yōu)化仿真設計。更多的EVB的仿真信息請參考安華高的應用文檔AN-5457。
圖：MGA-633P8的DEMO板原理圖
在上圖中，輸入電感L1僅具有射頻信號抑制器的功能，低噪放的輸入損耗對輸入諧振器的空載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 的范圍內變化，噪聲系數的變化量小于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，對低噪放的都影響很小。對輸入諧振器的 低要求主要用來確保低噪放設計的低成本和小尺寸。
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，被動元件的尺寸都是0402 的，這樣整個元器件區(qū)域的大小約為8×10mm2。
圖：EVB的測試結果
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，回波損 耗都可以滿足 這個要求。從系統(tǒng)的角度來說，這個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試變得簡單，降低了系統(tǒng)的設計復雜度。
雖然MGA-63X系列低噪放的主要目標市場是窄帶的蜂窩基站，但是從其EVB上展現的RF特性(在400MHz～1400MHz范圍內，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、多功能收音機等各種產品。
從EVB的測試結果可以得出結論：MGA-63X系列低噪放給基站的設計師提供了很多即實用又價值高的功能。除了有高線性度、低噪聲系數這樣蜂 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，以保證信號鏈路在經過雙工器和濾波器的損耗后，還有足夠的增益余量；動態(tài)偏壓控 制，以調節(jié)信號鏈路的功耗和線性度；內部50歐姆阻抗匹配，以減少外部網絡匹配器件。
評論