低噪声放大器在无线数据接收中的应用

本文将讨论一个在无线移动数据接收中常见的问题。

射频接收机面临的问题

射频接收机所面临的共同问题是必须用同样的硬件处理强弱两种信号，同时要保证信号的完整性。对于移动用户来讲，这个问题将更为突出。信号必须在不同地点以及不同条件下得到最优处理，如图1所示，在远离天线时信号较弱，潜在问题是数据可能会丢失，而靠近天线时信号则较强，又容易导致饱和从而影响信号的完整性。另外一种情况是手持设备如笔记本电脑可能会因为建筑物阻挡而导致信号减弱，甚至丢失。当避开建筑物阻挡时，信号强度增强，相当于更接近天线而出现接收机饱和的问题，如图2所示。因此，接收机必须具有不同的增益及其灵敏度来放大信号，以满足信号从强到弱的变化。

射频前端

为了确保接收机信号的可靠性，针对不同信号强度，射频前端需要具有调节性能的能力。对于弱信号而言，低噪声放大器应具有高增益和低噪声；对于强信号而言，为避免接收机过载应选择具有低增益和高线性的放大器。集成旁路功能的级联放大器应具有高增益和低噪声的性能，同时在旁路时，又需要有低增益高线性的性能。

图3所示为一个无线接收机的前端，可以看到这是一个由两级放大器组成的级联放大器，每级都有旁路开关并带一个滤波器，用于滤除带外干扰信号。该低噪声放大器可以在放大时获得较低的噪声，保证较好的灵敏度；当用作旁路时，可以使大信号直接传递过去，并获得较好的线性。从图4中可以看到，对于小信号模式，该模块可以提供好的噪声系数，且具有较高的增益；对于中等强度的信号，由于此时不需要高增益，因此第二级放大器是不工作的，此时可以提供中等的放大增益以及好的噪声系数；由于在旁路功能时，电路消耗几乎为零，因此当把第二级旁路时将会减少电路消耗，增加电池使用时间；当低级放大器旁路时可以保证其线性，或者在信号上把两级放大器都旁路掉，两级放大器带来的衰减可以保证接收机不饱和，此时全部电流消耗几乎为零。

图5所示的为分立元件组成的带旁路功能的低噪声放大器。传统的设计方法是使用一个低噪声放大器加一个旁路开关，这样控制电流可以满足很大的动态范围。图5所示的放大器需要复杂的匹配电路和控制电路，这样将使用很多外围元件，占用很大的电路板空间，而且设计也很困难，最终导致投入市场时间变长，装备成本变高。

图6所示的是一个集成旁路功能的低噪声放大器实例。其中，低噪声放大器、旁路开关、偏置电路、匹配电路全部集成到了MMIC中，因此，该电路中包括放大器在内一共只有7个元件，板子面积减小到了0.64平方厘米，只有分立元件PCB板的20%。使用集成方案，使设计变得简单，板子尺寸减小，成本降低，满足大动态信号范围的要求。

问答选编

问：旁路开关最大隔离，插损有多少？会不会增加了本身 LNA的噪声系数？
答：开关的插损，大概有2dB左右，但对LNA的噪声影响不大，为0.1~0.2dB 左右。

问：集成旁路开关响应时间为多少，对于类似的TD-SCDMA可以使用吗？
答：可以用于TD系统，因为他们是GaAs，响应时间在1μs 以内 。

问：集成旁路开关的结构和工作机理是什么?
答：集成旁路开关是在芯片上建立一个和放大器平行的开 关器。旁路开关和放大器有共同的输入和输出端口。然后由接收器系统的microcontroller输入电压来选择让MMIC 操作在放大器模式或开关器模式，根据不同的接收讯号 的强度，提供不同的噪声稀疏、增益、直线性和电流消耗量。

问：请问放大器模式和旁路开关模式各有什么特点？
答：放大器模式拥有高增益，低噪声和高线性，功用是放大微弱的接收讯号。而旁路开关模式则会稍微损耗太过强烈的接收讯号，拥有比放大模式更良好的直线性，功用是预防接收机的后级饱和。同时，旁路开关模式所消耗的电流近乎为零，帮助系统省电。

问：WiMAX网络上的接收路径设计有无技术瓶颈？
答：现在我们的客户已经成功地使用AVAGO的低噪声放大 器及PA设计出WiMAX基站及终端。

问：和MGA-655T6匹配使用的MMIC功放有哪些?
答：ALM-42316是安华高即将推出的和MGA-655T6同频率 的PA。

问：设计MMIC时,需要注意哪些方面以降低PCB寄生参数的影响?如何布局?
答：在RF设计时，主要考虑阻抗的匹配及板材的损耗等。如果要进一步提高性能，需要仿真软件的进一步支持 。

问：强信号下，旁路开关会自动闭合还是需要外部控制闭合？
答：旁路开关不会自动闭合，必须由接收机系统调节对MMIC所输入的电压，控制MMIC的操作模式。

问：你们的低噪声放大器是线性的还是非线性的?带宽多少?
答：我们可以提供DC-50GHz的不同频率的LNA。当然各种性能指标也不一样，需要设计时综合考虑。通常我们 在GSM（900/1800），WCDMA，WiMAX等有合适的产品，并且有足够的带宽。如MGA-68563 （100MHz~2GHz）， MGA-631P8（400~1.6GHz），MGA-632P8(1.5GHz~2.6GHz)等 。

问：集成旁路开关的低噪声放大器MGA-6x5T6，MGA-7x543， MGA-7x5M4， MGA-785T6的中心频率分别是多少？
答：MGA-6X5T6有不同的应用频率（MGA-635T6 是GPS，MGA-645T6是WiFi，WLAN，WiMAX 2.5GHz；MGA-655T6 是WiMAX 3.5GHz；MGA-675T6是5.5GHz WiMAX ）； MGA-7x543/7x5M4是宽带的应用。MGA-785T6是 100MHz~2.5GHz。

问：能否举例说明，MGA-655T6的旁路开关接通和关断时噪音性能和线性性能有何变化?
答：以MGA-655T6为例，旁路开关接通时噪音性能较差，噪音系数大约4~5dB，直线性则非常好，IIP3(Input 3rd order Intercept Point)在+19dBm.。旁路开关关断时(放大器模式），噪音系数约1.1dB，IIP3(Input 3rd order Intercept Point)在+5.5dBm。

问：接收机在接收灵敏度很高的情况下静态音质很好，而在移动时却不好，LNA对于这一问题的解决有没有优势？
答：拥有旁路开关的LNA，对移动性的接收机有优势。因为移动性接收机在移动时，会接收强弱不同的讯号。拥有 旁路开关的LNA，可根据讯号的强弱，调节至适合的增益、噪音系数和直线性。

问：在设计LNA时要不要考虑信号的峰均比？
答：要的，不过有对应的计算公式，最大的峰值及峰均比可以折算成对应的CW信号功率。