【無(wú)線射頻芯片】-探討集成LNA在基站設(shè)計(jì)中的重要性

1/1探討集成LNA在基站設(shè)計(jì)中的重要性隨著對(duì)無(wú)線寬頻帶的需求不斷提高，蜂窩基站(BTS)性能的重要性也愈加突出。天線塔的低噪聲放大器(LNA)是確定BTS性能的關(guān)鍵因素，由于它能影響基站掩蓋面積及其對(duì)四周其他放射器的容限。集成的LNA配備了有源偏置調(diào)整器，例如AvagoTechnology的MGA-63x系列，能夠?yàn)榻艹龅腂TS性能供應(yīng)噪聲系數(shù)和線性。

蜂窩基站(BTS)設(shè)計(jì)應(yīng)具有廣泛的掩蓋范圍，同時(shí)能夠共用一個(gè)配備多種無(wú)線放射器的塔站。這些特性使服務(wù)供應(yīng)商用幾個(gè)網(wǎng)點(diǎn)就能向一個(gè)地區(qū)供應(yīng)服務(wù)，并且可以與其他使用者共同擔(dān)當(dāng)網(wǎng)點(diǎn)成本。為了滿意掩蓋和共享的要求，BTS架構(gòu)中需要配備敏感度高的接收器來(lái)接收遠(yuǎn)程手機(jī)信號(hào)，同時(shí)還要排解從四周無(wú)線放射器放射的帶內(nèi)和帶外強(qiáng)信號(hào)。

接收器的敏感性是多種因素作用的結(jié)果，它打算了無(wú)線接收器能夠還原的最弱的信號(hào)，其中包括接收器信號(hào)帶寬（BW，單位：Hz）和信號(hào)必需支持的信息速率。敏感度可以這樣描述：

SNR表示信噪比，該比率必需支持所需的信息速率；F表示系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。Friiss公式為：

Gn表示接收鏈上第n級(jí)的增益，表明接收鏈中第一放大階段的噪聲系數(shù)(F1)對(duì)系統(tǒng)的總噪聲具有支配作用，而隨后階段（例如F2,F3等）的噪聲性能的影響則會(huì)越來(lái)越小。因此，第一階段的低噪聲放大器(LNA)能夠通過(guò)最小化級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)F來(lái)提高接收器的敏感性。

目前蜂窩基站(BTS)通常都將LNA放置在天線塔的天線四周。這樣的布置有助于減弱由天線到遠(yuǎn)程LNA級(jí)之間的電纜損耗而造成的噪聲系數(shù)衰減。還有另外兩個(gè)影響B(tài)TS架構(gòu)的因素，一個(gè)是共用天線雙工工作的放射-接收(Tx-Rx)雙工器，一個(gè)是用于防止帶外阻隔或脫敏的干擾濾波器，通常都先于LNA級(jí)。但是，雙工器和濾波器都會(huì)有損耗。因損耗先于放大發(fā)生，所以要求損耗值小一些以確保SNR盡量高。盡管如此，配備了噪聲性能額外冗余的extramarginNA還是會(huì)降低雙工濾波器的損耗要求。

BTS設(shè)計(jì)中LNA還要滿意除低噪聲系數(shù)之外的其他重要性能要求。這些要求可能包括高增益（用于抵消塔頂安裝的LNA和地面無(wú)線電廣播室之間的長(zhǎng)電纜的損耗）和高線性。高線性用于防止在處理強(qiáng)信號(hào)時(shí)可能引起通道間干擾的失真。

放大器設(shè)計(jì)中的低噪聲技術(shù)

雖然高增益和高線性特別重要，但LNA的噪聲系數(shù)才是其打算性也是最重要的特征。很多設(shè)計(jì)和加工技術(shù)都會(huì)影響放大器的噪聲系數(shù)(F)，但其中一些并不適用于BTS。例如，F(xiàn)ukui公式表明白電子放大器(TPHY)的物理溫度可以直接影響其噪聲系數(shù)。因此這種關(guān)聯(lián)，通過(guò)目前最有效的降低噪聲的方法，即閉合循環(huán)氮?dú)饫鋮s，可以將TPHY降低到接近OK，并且證明白在900MHz時(shí)FF0.05dB。但是，不斷的維護(hù)和低溫冷卻的高成本（每個(gè)冷卻器約1萬(wàn)美元）使這種冷卻方法極不有用，除非是類似于無(wú)線電望遠(yuǎn)鏡和行星探測(cè)器地面接收站這種對(duì)于性能要求極高的應(yīng)用領(lǐng)域。

其他影響放大器系數(shù)的主要因素比較簡(jiǎn)單掌握。例如，制造晶體管所選用的半導(dǎo)體材料對(duì)放大器噪聲系數(shù)的影響特別大。尖端材料，例如磷化銦(InP)具有無(wú)以倫比的降噪性能。但是，對(duì)于日常商業(yè)用途來(lái)說(shuō)，這些材料的成本往往過(guò)于昂揚(yáng)。另一方面，硅CMOS雖然成本低廉，但降噪等級(jí)卻一般（表1）。而砷化鎵材料，尤其是增加型高遷移率晶體管技術(shù)(pHEMT)，成本低且降噪性能好。

封裝方法也可以影響噪聲性能，尤其是IC引線和外部配線四周材料中電磁場(chǎng)能量損耗而引起的高頻信號(hào)衰減。在70和80年月，低噪聲微波放大器一般使用陶瓷封裝設(shè)備，由于陶瓷封裝的損耗極低（耗散因數(shù)tan=0.001）。此外，陶瓷封裝支持帶狀引線，可以匹配PCB路徑的寬度，從而將斷點(diǎn)最小化。為了節(jié)約成本，在90年月改為使用例如SOT-23或SC-70的塑料表面貼裝(SMP)，這種封裝技術(shù)極大地降低了噪聲性能，由于環(huán)氧樹(shù)脂的損耗較高（tan=0.006到0.014）。另外，芯片黏著和焊絲之間以及引線和微帶接口之間的寬度突然轉(zhuǎn)變也增加了反射損耗。

從設(shè)備級(jí)而言，大多數(shù)射頻系數(shù)-包括噪聲系數(shù)-都能通過(guò)縮小晶體管的特征尺寸（例如柵極長(zhǎng)度）得以改善。業(yè)已證明的是，將CMOS的特征尺寸從0.18m縮小至90m可以在1GHz時(shí)有效降低噪音系數(shù)0.2dB。其缺點(diǎn)是制造成本過(guò)高。

除了這些設(shè)備級(jí)技術(shù)，還有降低噪聲的電路級(jí)技術(shù)。如在放大器的設(shè)計(jì)中，往往需要阻抗匹配。但是用于確保最大源信號(hào)傳入放大器的輸入共軛匹配(S)和用于確保噪聲系數(shù)最小的最佳噪聲匹配(opt)之間存在顯著差異。在匹配過(guò)程中，這種差異通常要求犧牲放大器的噪聲性能，以避開(kāi)回波損耗(IRL)隨著發(fā)電機(jī)-輸入阻抗轉(zhuǎn)化率增加。通過(guò)洞孔或鍍銀諧振器增加放大器的無(wú)載Q值可以最大程度地降低IRL值，但這些簡(jiǎn)單的器件不是太過(guò)笨重就是成本太高，無(wú)法用于大批量生產(chǎn)的商用產(chǎn)品中。

但事實(shí)表明，在源和接地路徑中增加一個(gè)小的電感器(LS)可以降低S-opt分散，從而削減因輸入共軛匹配而引起的噪聲性能降低。據(jù)討論人員報(bào)道，使用該技術(shù)可以在1.95GHz時(shí)降低0.15dB的噪聲。然而，事實(shí)是，在頻率響應(yīng)中開(kāi)頭形成遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)通帶的不良峰值之前，只能增加少量的或低于期望值的LS。

另一個(gè)降低噪聲的電路技術(shù)則利用平行連接來(lái)應(yīng)對(duì)由于匹配造成的噪聲性能降低。FET-型設(shè)備具有很高的最佳噪聲阻抗(Zopt)，因此并聯(lián)兩個(gè)或多個(gè)類似晶體管可以通過(guò)削減Zopt和發(fā)電機(jī)阻抗(Zs)之間的錯(cuò)誤匹配來(lái)降低噪聲。使用此方法的設(shè)備包括在76到109MHzVHFFM范圍廣播的3xFET和1.4GHz的2xHEMT。

AvagoMGA-63x設(shè)備特性

在創(chuàng)建單片微波集成電路(MMIC)LNA設(shè)備的MGA-63x線時(shí)，Avago使用了其中最有用的設(shè)備和其它降低噪聲的技術(shù)。例如，設(shè)備封裝采納緊湊（2x2x0.75毫米）的8引腳扁平無(wú)引線(QFN)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以消退線焊引線框架封裝中很多因反射而引起的固有間斷。該系列設(shè)備的每個(gè)組件都使用相同封裝尺寸和引腳，使開(kāi)發(fā)者可以進(jìn)行單面電路板設(shè)計(jì)，這種電路板可以通過(guò)簡(jiǎn)潔的零件更換處理在400MHz到4GHz之間的多個(gè)頻帶。

MGA-63x系列的加工技術(shù)是具有專利權(quán)的0.25m特別規(guī)格GaAs增加型偽形態(tài)高電子遷移率晶體管(ePHEMT)工藝，具有高增益帶寬(fT30GHz)。該性能實(shí)現(xiàn)了在單級(jí)感應(yīng)器中達(dá)到LNA的目標(biāo)增益（在0.9GHz時(shí)7dB）。該工藝通過(guò)使金屬板的厚度成為預(yù)處理中厚度的兩倍，將互連過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲降至最低。此外，使用高導(dǎo)電性金屬噴鍍還能讓封裝設(shè)備的噪聲系數(shù)與陶瓷設(shè)備相同。

該工藝有助于MGA-63x系列反抗阻隔，通過(guò)降低增益和在信號(hào)強(qiáng)的狀況下提高F值來(lái)減弱接收器的敏感性。異步干擾（例如使用同一個(gè)放射塔的大功率放射器）或同步來(lái)源（例猶如時(shí)具有放射和接收力量的無(wú)線電收發(fā)器，在通過(guò)循環(huán)器或雙工器時(shí)會(huì)發(fā)生傳輸泄露）能引起阻隔。高增益壓縮閥值組件用于反抗阻隔。增益壓縮主要是由放大器中的超過(guò)線性區(qū)域的非線性傳輸特性所造成的，且散熱增加是其主要緣由。該工藝的膝點(diǎn)低電壓(0.3V)允許電壓切斷前的大幅電壓搖擺，從而為設(shè)備供應(yīng)高增益壓縮閥值。另外，GaAs基底上相對(duì)較低的體積電導(dǎo)率有助于使熱損耗降到最低。

MMIC本身由一個(gè)單FET共源放大器和一個(gè)有源偏置調(diào)整器所組成（圖1）。有源偏置有助于改進(jìn)LNA運(yùn)行中的線性。少源電感(LS)可實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)S值上同時(shí)良好的IRL和低F值。（欲了解具體規(guī)格，請(qǐng)參考數(shù)據(jù)表。）

圖1.MGA-63系列與高增益晶體管和有源偏置編碼器結(jié)合在一起形成了集成LNA模塊，具有精彩的線性和低噪聲系數(shù)。

由于調(diào)整器和LNA晶體管都是集成的，所以它們具有相像加工過(guò)程，這使得Vbias和VGS能夠相互"監(jiān)督'。這樣可以通過(guò)校正任何熱量轉(zhuǎn)移，來(lái)確保Ids的溫度穩(wěn)定性。它還有利于補(bǔ)償晶片運(yùn)行時(shí)跨導(dǎo)的變化。其結(jié)果是MGA-63X系列在室外運(yùn)行的高度全都。

通過(guò)施加外部電壓，Vbias，或在Vdd和偏壓輸入電路之間連接電阻器，偏置調(diào)整器可以調(diào)整LNA的靜態(tài)電流(lds)。調(diào)整器的低電流啟動(dòng)要求（Ibias1mA）與大多數(shù)CMOS系列兼容，使微掌握器能夠在時(shí)域多路復(fù)用(TDM)應(yīng)用中直接開(kāi)關(guān)LNA。

可調(diào)整偏壓特性為平衡功率消耗的線性供應(yīng)了一個(gè)便捷的方法。在不需要最高線性的應(yīng)用狀況中，設(shè)計(jì)者可以選擇使用大于額定值(6.8k)的R偏置電流值來(lái)保持功率。或者可以通過(guò)在25到75mA范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變IDD使LNA的OIP3值的變化達(dá)到10dB，但對(duì)增益和輸出功率匹配（G和P1dB0.5dB）的影響應(yīng)最小。這樣可以設(shè)計(jì)出一種通過(guò)Vbias微掌握器調(diào)整對(duì)頻譜擁擠程度作出自適應(yīng)響應(yīng)的LNA。

晶體管的設(shè)計(jì)和偏置電流調(diào)整器的運(yùn)行都避開(kāi)使用外部匹配網(wǎng)絡(luò)，外部匹配網(wǎng)絡(luò)會(huì)增加插入損耗并因此降低LNA的F值。晶體管設(shè)計(jì)尺寸適中，其額定偏置電流設(shè)定使其輸入阻抗接近50。集成的有源偏置調(diào)整器電路能夠避開(kāi)影響LNA的輸入阻抗，而外部電阻器偏置電路則可能產(chǎn)生這種影響。這些特性可以消退輸入匹配要求，并使LNA的噪聲系數(shù)降至最低。

利用評(píng)估電路證明性能

為了展現(xiàn)MGA-63x系列非同凡響的性能，通過(guò)使用MGA-633P8MMIC和最小數(shù)量的被動(dòng)元器件（用于匹配和偏置，無(wú)法在芯片級(jí)集成），Avago創(chuàng)建并測(cè)試了一個(gè)能在900MHz（圖2）下運(yùn)行的蜂窩基站LNA。元件值是依據(jù)單個(gè)設(shè)計(jì)模擬循環(huán)而選定的，且未通過(guò)工作臺(tái)調(diào)諧優(yōu)化。（關(guān)于評(píng)估主板模擬和開(kāi)發(fā)的完整爭(zhēng)論參見(jiàn)Avago應(yīng)用說(shuō)明AN-5457，MGA-633P8GaAsMMICLNA適用于具有行業(yè)最佳噪聲系數(shù)和線性的900MHzBTS放大器。）即便如此，評(píng)估主板同樣證明了利用MGA-63系列設(shè)計(jì)的LNA的一些主要特征。

圖2.該演示電路展現(xiàn)了用于評(píng)估AvagoMGA-63x系列的完整900MHzBTSLNA設(shè)計(jì)。

其中之一是，展現(xiàn)板表明白由于輸入感應(yīng)器(L1)的基本功能與射頻扼流器非常相像，因此放大器的輸入損耗比輸入諧振器的無(wú)載Q值(QUL)要小得多。模擬顯示了在20-100范圍內(nèi)的任意QUL值下，F(xiàn)0.05。該范圍表示，在低噪音放大器的下端使用的是0402規(guī)格的疊層感應(yīng)器，而在其頂端使用的則是更大的空心感應(yīng)器。無(wú)嚴(yán)格要求的輸入諧振器能夠?qū)崿F(xiàn)低成本且緊湊的LNA設(shè)計(jì)。

評(píng)估主板的印制電路板（圖3）體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的緊湊程度。電路板的尺寸為21.5x18x1.4毫米，包含一個(gè)基于10milsRogersRO4350（中等價(jià)位材料，具有適當(dāng)?shù)纳漕l性能，可以兼容FR4工藝）的微帶。將成本更低的1.2毫米FR4材料與RO4350接地層壓合可以使其具有硬度。通過(guò)從邊緣放射SMA到微帶躍遷（Johnson零件編號(hào)142-0701-856）來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻連接，同時(shí)通過(guò)一個(gè)2引腳直線PCB頭來(lái)接通直流電。由于輸入諧振器無(wú)嚴(yán)格要求，可以使用0402規(guī)格的芯片將組件所占面積縮小至8x10毫米2。

圖3.整個(gè)LNA在PCB上所占的面積僅比射頻輸入/輸出連接器略大。

在900MHz時(shí)，演示LNA實(shí)現(xiàn)F0.3dB，增益(G)18dB，并且輸入和輸出回波損耗（IRL和ORL）都更優(yōu)于-15dB（圖4）。這些回波損耗都在大于1GHz的范圍內(nèi)，表明輸入和輸出匹配都有廣泛的帶寬，這從系統(tǒng)的角度來(lái)看特別有利。根據(jù)慣例，全部BTSLNA都是通過(guò)隔離器或正交混合耦合器（平衡的LNA）來(lái)達(dá)到預(yù)期的輸入匹配。所設(shè)計(jì)的這種低輸入回波損耗(IRL)可以將很多應(yīng)用中的高損耗和高成本的隔離器/正交耦合器淘汰。而且，輸入和輸出匹配的大帶寬范圍可以通過(guò)終止反射來(lái)防止射BTS雙工器和輸入/輸出濾波器的失諧，從而降低了這些系統(tǒng)元件的簡(jiǎn)單性要求（以及成本）。

圖4.增益和回波損耗圖顯示了LNA匹配網(wǎng)絡(luò)的頻率不敏感性。

盡管MGA-63x系列的主要目標(biāo)市場(chǎng)是窄頻帶蜂窩BST，但是評(píng)估主板所顯示的射頻性能（在400MHz到1400MHz范圍內(nèi)F0