对功用、小型化和更高频率的需求,正应战无线体系中两个要害天线衔接元器材的约束:功率扩大器(PA) 和低噪声扩大器(LNA)。5G的开展以及PA 和LNA 在微波无线电链路、VSAT(卫星通信体系)和相控阵雷达体系中的运用正促进这种改动。这些运用的要求包含较低噪声(关于LNA)和较高能效(关于PA)以及在高达或高于10 GHz 的较高频率下的运转。为了满意这些日益增长的需求,LNA 和PA 制作商正在从传统的全硅工艺转向用于LNA 的砷化镓(GaAs) 和用于PA 的氮化镓(GaN)。
本文将介绍LNA 和PA 的效果和要求及其首要特性,然后介绍典型的GaAs 和GaN 器材以及运用这些器材进行规划时的留意事项。
LNA 的活络效果
LNA 的效果是从天线获取极端弱小的不确定信号,这些信号一般是微伏数量级的信号或许低于-100 dBm,然后将该信号扩大至一个更有用的水平,一般约为0.5 到1 V(图1)。具体来看,在50 Ω 体系中10 μV 为-87 dBm,100 μV 等于-67 dBm。
运用现代电子技能能够轻松完结这样的增益,但LNA 在弱小的输入信号中参加各种噪声时,问题将远不是那么简略。LNA 的扩大优势会在这样的噪声中彻底消失。
图1: 接纳途径的低噪声扩大器(LNA) 和发送途径的功率扩大器(PA) 经由双工器衔接到天线,双工器分隔两个信号,并避免相对强壮的PA 输出使活络的LNA 输入过载。(图片来历:Digi-Key Electronics)
留意,LNA 作业在一个充溢不知道的国际中。作为收发器通道的前端,LNA 有必要能捕捉并扩大相关带宽内功耗极低的低电压信号以及天线形成的相关随机噪声。在信号理论中,这种状况称作不知道信号/不知道噪声难题,是一切信号处理难题中最难的部分。
LNA 的首要参数是噪声系数(NF)、增益和线性度。噪声来自热源及其它噪声源,噪声系数的典型值为0.5 – 1.5 dB。单级扩大器的典型增益在10 – 20 dB 之间。有一些规划选用在低增益、低NF 级后加一个更高增益级的级联扩大器,这种规划或许到达较高的NF,不过一旦初始信号现已“增大”,这样做就变得不那么重要。(有关LNA、噪声和射频接纳器的具体内容,请参阅TechZone 中《低噪声扩大器能够最大极限地进步接纳器的活络度》一文。)
LNA 的另一个问题是非线性度,因为组成谐波和互调失真可使接纳到的信号质量恶化,在位误差率(BER) 恰当低时使得信号解调和解码变得愈加困难。一般用三阶交调点(IP3) 作为线性度的特征化参数,将三阶非线性项引起的非线性乘积与以线性方法扩大的信号相关在一起;IP3 值越高,扩大器功用的线性度越好。
功耗和能效在LNA 中一般不属于首要问题。就实质而言,绝大多数LNA 是功耗恰当低且电流耗费在10 – 100 mA 之间的器材,它们向下一级供给电压增益,但不会向负载运送功率。此外,体系中仅选用一个或许两个LNA(后者常用于Wi-Fi 和5G 等接口的多功用天线规划中),因而经过低功耗LNA 节能的含义不大。
除作业频率和带宽外,各种LNA 相对来讲在功用上十分相似。一些LNA 还具有增益操控功用,因而能够应对输入信号的宽动态规模,而不会呈现过载、饱满。在基站至手机通道损耗规模宽的移动运用中,输入信号强度改动规模如此之宽的状况会常常遇到,即便单衔接循环也是如此。
输入信号到LNA 的路由以及来自其输出信号与元器材自身的标准相同重要。因而,规划人员有必要运用杂乱的建模和布局东西来完结LNA 的悉数潜在功用。因为布局或阻抗匹配欠安,优质元器材或许简略劣化,因而有必要要运用供货商供给的史密斯圆图(拜见“史密斯圆图: 射频规划中仍旧至关重要的一个‘陈旧’图形东西”),以及支撑仿真和剖析软件的牢靠电路模型。
因为这些原因,简直一切在GHz 规模内作业的高功用LNA 供货商均会供给评价板或经过验证的印刷电路板布局,因为测验设置的每个方面都至关重要,包含布局、衔接器、接地、旁路和电源。没有这些资源,规划人员就需求浪费时刻来评价元器材在其运用中的功用。
根据GaAs 的LNA 的一个代表是HMC519LC4TR。这是一种来自Analog Devices 的18 到31 GHz pHEMT(假晶高电子迁移率晶体管)器材(图2)。这种无引线4×4 mm 陶瓷外表贴装封装可供给14 dB 的小信号增益,以及3.5 dB 的低噪声系数和+ 23 dBm 的高IP3。该器材可从单个+3 V 电源提取75 mA 电流。
图2:HMC519LC4TR GaAs LNA 为18 至31 GHz 的低电平输入供给低噪声增益;大多数封装衔接用于电源轨、接地或不运用。(图片来历:Analog Devices)
从简略的功用框图到具有不同值和类型的多个外部电容器都需求一个规划进程,供给恰当的射频旁路,在三个电源轨馈电上具有低寄生效应,指定为Vdd(图3)。
图3: 在实践运用中,HMC519LC4TR LNA 在其电源轨上需求多个额定电压相同的旁路电容器,以供给用于低频滤波的大电容以及用于射频旁路的较小值电容,然后最大程度地削减射频寄生效应。(图片来历:Analog Devices)
根据此增强原理图生成评价板,具体阐明布局和BOM,包含非FR4 印刷电路板资料的运用(图4(a) 和4(b))。
图4(a)
图4(b)
图4: 考虑到这些LNA 前端作业的高频率和它们有必要捕获的低电平信号,一个具体且经测验的评价规划至关重要。其间包含一份原理图(未显现)、电路板布局(a) 和BOM,及无源元器材和印刷电路板资料(b) 的细节。(图片来历:Analog Devices)
MACOM MAAL-011111 是用于更高频率的GaAs LNA,可支撑22 至38 GHz 运转(图5)。该器材可供给19 dB 的小信号增益和2.5 dB 的噪声系数。此LNA 外表上是一个单级器材,但其内部实践有三个级联级。榜首级针对最低噪声和中等增益进行了优化,后续等级供给额定增益。
图5: 对用户来说,MAAL-011111 LNA 外表上是一个单级扩大器,但其内部运用了一系列增益级,旨在最大化输入到输出信号途径SNR,一起在输出端添加明显增益。(图片来历:MACOM)
与Analog Devices 的LNA 相似,MAAL-011111 只需求一个低压电源,且尺度仅为3×3 mm,极为细巧。用户能够经过将偏置(电源)电压设置在3.0 和3.6 V 之间的不同值来调整和权衡某些功用标准。主张电路板布局显现坚持恰当的阻抗匹配和地平面功用所需的要害印刷电路板铜皮尺度(图6)。
图6: 主张的布局,充沛运用了MACOM 的MAAL-011111,一起供给输入和输出阻抗匹配。留意,关于阻抗操控型传输线以及低阻抗地平面,运用印刷电路板铜皮(尺度以毫米为单位)。(图片来历:MACOM)
PA 驱动天线
与LNA 困难的信号捕获应战相反,PA 则是从电路中获取相对强的信号,具有很高的SNR,且有必要用来进步信号功率。与信号有关的一切通用系数均已知,如幅值、调制、波形、占空比等。这便是信号处理图中的已知信号/已知噪声象限,是最简略应对的。
PA 的首要参数为相关频率下的功率输出,其典型增益在+10 至+30 dB 之间。能效是PA 参数中仅次于增益的又一要害参数,可是运用模型、调制、占空比、答应失真度以及受驱信号的其它方面会使任何能效评价变得杂乱。PA 的能效在30 到80% 之间,但这在很大程度上是由多种要素决议的。线性度也是PA 的要害参数,与在LNA 相同用IP3 值断定。
虽然许多PA 选用低功耗CMOS 技能(最高约1 至5 W),但在最近几年里,其它技能业已开展老练并被广泛运用,在考虑将能效作为电池续航时刻和散热的要害方针的更高功率水平的状况下,特别如此。在需求几个瓦特或更高功率的状况下,选用氮化镓(GaN) 的PA 在更高功率和频率(典型值为1 GHz)下具有更优的能效。特别是考虑到能效和功率耗散时,GaN PA 极具本钱竞争力。
Cree/Wolfspeed CGHV14800F(1200 到1400 MHz,800 W 器材)是最新的一些根据GaN 的PA 代表。这种HEMT PA 的能效、增益和带宽组合对脉冲L 波段雷达扩大器进行了优化,使规划人员能够在空中流量控制(ATC)、气候、反导和方针盯梢体系等运用中找到许多用处。运用50 V 电源,供给50% 及更高的典型能量转化功率,并选用10 ×20 mm 陶瓷封装,带有用于冷却的金属法兰(图7)。
图7:CGHV14800F 1200 至1400 MHz,800 W,GaN PA 具有金属法兰的10 ×20 mm 陶瓷封装有必要一起满意困难的射频和散热要求。出于机械和热完整性考虑,留意装置法兰时将封装旋紧(不焊接)到印刷电路板。(图片来历:Cree/Wolfspeed)
CGHV14800F 选用50 V 电源供电,一般供给14 dB 的功率增益,能量转化功率> 65%。与LNA 相同,评价电路和参阅规划至关重要(图8)。
图8: 除了器材自身之外,为CGHV14800F PA 供给的演示电路需求的元器材十分少,但物理布局和散热考虑很要害;考虑装置完整性和热方针,PA 经过封装法兰以螺钉和螺母(在底部,不行见)固定到板上。(图片来历:Cree/Wolfspeed)
许多标准表和功用曲线中相同重要的是功率耗散降额曲线(图9)。该曲线显现了可用的功率输出额定值与外壳温度的联系,指示最大答应功率是安稳的115°C,然后线性减小到150°C 的最大额定值。
图9: 因为其在运送功率方面的效果,需求PA 降额曲线向规划人员显现答应输出功率跟着外壳温度的升高而下降。这儿,额定功率在115⁰C 之后敏捷下降。(图片来历:Cree/Wolfspeed)
MACOM 还供给了根据GaN 的PA,例如NPT1007 GaN 晶体管(图10)。其直流至1200 MHz 的频率跨度适用于宽带和窄带射频运用。该器材一般以14 到28 V 之间的单电源作业,可在900 MHz 供给18 dB 的小信号增益。该规划旨在耐受10:1 SWR(驻波比)不匹配,且不会发生器材退化。
图10:MACOM 的NPT1007 GaN PA 跨过直流到1200 MHz 的规模,适用于宽带和窄带射频运用。规划人员经过各种负载拉伸图取得额定支撑。(图片来历:MACOM)
除了显现500、900和1200 MHz 时功用根底的图外,NPT1007 还支撑各种“负载拉伸”图,为尽力保证安稳产品(图11)的电路和体系规划人员供给协助。 负载拉伸测验运用成对信号源和信号剖析仪(频谱剖析仪、功率计或矢量接纳器)完结。
该测验要求看到被测设备(DUT) 的阻抗改动,以评价PA 的功用(包含比如输出功率、增益和能效等要素),因为一切相关的元器材值或许因为温度改动或因为环绕其标称值的公役带内的改动而改动。
图11:NPT1007 PA 的负载拉伸图超出了最小/最大/典型标准标准表,以在其负载阻抗违背其标称值(初始出产公役以及热漂移会导致实践运用中呈现这种状况)时显现PA 功用。(图片来历:MACOM)
不管运用哪种PA 工艺,器材的输出阻抗均有必要由供货商进行充沛特征化,使规划人员能将该器材与天线正确匹配,完结最大的功率传输并尽或许坚持SWR 共同。匹配电路首要由电容器和电感器构成,而且可完结为分立器材,或许制作为印刷电路板乃至产品封装的一部分。其规划还有必要保持PA 功率水平。再次重申,史密斯圆图等东西的运用,是了解并进行必要的阻抗匹配的要害。
鉴于PA 较小的芯片尺度和较高的功率水平,封装对PA 来讲是一个要害问题。如前所述,许多PA 经过宽的散热封装引线和法兰支撑以及封装下的散热片散热,作为到印刷电路板铜皮的途径。在较高功率水平(约高于5 至10 W),PA 能够有铜帽,使散热器能够装置在顶部,而且或许需求电扇或其它先进的冷却技能。
GaN PA 相关的额定功率和小尺度意味着对热环境建模至关重要。当然,将PA 自身坚持在答应的状况或结温规模内是不行的。从PA 散去的热量不能给电路和体系其它部分带来问题。有必要考虑处理和处理整个热途径。
总结
从智能手机到VSAT 端子和相控阵雷达体系等根据射频的体系正在推进LNA 和PA 功用的极限。这使得器材制作商不再局限于硅,而是探究GaAs 和GaN 以供给所需的功用。
这些新的工艺技能为规划人员供给了带宽更宽、封装更小、能效更高的器材。不过,规划人员需求了解LNA 和PA 运转的根底知识,才干有效地运用这些新技能。
