探讨集成LNA在基站设计中的重要性

随着对无线宽频带的需求不断提高，蜂窝基站 (BTS) 性能的重要性也愈加突出。天线塔的低噪声放大器 (LNA)是确定 BTS 性能的关键因素，因为它能影响基站覆盖面积及其对附近其他发射器的容限。集成的 LNA 配备了有源偏置调节器，例如 Avago Technology 的 MGA-63x系列，能够为杰出的 BTS 性能提供噪声系数和线性。

蜂窝基站 (BTS) 设计应具有广泛的覆盖范围，同时能够共用一个配备多种无线发射器的塔站。这些特性使服务供应商用几个网点就能向一个地区提供服务，并且可以与其他使用者共同承担网点成本。为了满足覆盖和分享的要求，BTS 架构中需要配备敏感度高的接收器来接收远程手机信号，同时还要排除从附近无线发射器发射的带内和带外强信号。

接收器的敏感性是多种因素作用的结果，它决定了无线接收器能够还原的最弱的信号，其中包括接收器信号带宽（BW，单位：Hz）和信号必须支持的信息速率。敏感度可以这样描述：

SNR 表示信噪比，该比率必须支持所需的信息速率；F 表示系统的噪声系数。Friiss 公式为：

Gn 表示接收链上第 n 级的增益，表明接收链中第一放大阶段的噪声系数 (F1) 对系统的总噪声具有支配作用，而随后阶段（例如 F2, F3 等）的噪声性能的影响则会越来越小。因此，第一阶段的低噪声放大器 (LNA) 能够通过最小化级联噪声系数 F 来提高接收器的敏感性。

目前蜂窝基站 (BTS) 通常都将 LNA 放置在天线塔的天线附近。这样的布置有助于减弱由天线到远程 LNA 级之间的电缆损耗而造成的噪声系数衰减。还有另外两个影响 BTS 架构的因素，一个是共用天线双工工作的发射-接收 (Tx-Rx) 双工器，一个是用于防止带外阻隔或脱敏的干扰滤波器，通常都先于 LNA 级。但是，双工器和滤波器都会有损耗。因损耗先于放大发生，所以要求损耗值小一些以确保 SNR 尽量高。尽管如此，配备了噪声性能额外冗余的 extra marginNA 还是会降低双工滤波器的损耗要求。

BTS 设计中 LNA 还要满足除低噪声系数之外的其他重要性能要求。这些要求可能包括高增益（用于抵消塔顶安装的 LNA 和地面无线电广播室之间的长电缆的损耗）和高线性。高线性用于防止在处理强信号时可能引起通道间干扰的失真。

放大器设计中的低噪声技术

虽然高增益和高线性非常重要，但 LNA 的噪声系数才是其决定性也是最重要的特征。许多设计和加工技术都会影响放大器的噪声系数 (F)，但其中一些并不适用于 BTS。例如，Fukui 公式表明了电子放大器 (TPHY) 的物理温度可以直接影响其噪声系数。因此这种关联，通过目前最有效的降低噪声的方法，即闭合循环氮气冷却，可以将TPHY 降低到接近 OK，并且证明了在900MHz 时 FF ≈ 0.05dB。但是，不断的维护和低温冷却的高成本（每个冷却器约 1 万美元）使这种冷却方法极不实用，除非是类似于无线电望远镜和行星探测器地面接收站这种对于性能要求极高的应用领域。

其他影响放大器系数的主要因素比较容易控制。例如，制造晶体管所选用的半导体材料对放大器噪声系数的影响非常大。尖端材料，例如磷化铟 (InP) 具有无以伦比的降噪性能。但是，对于日常商业用途来说，这些材料的成本往往过于高昂。另一方面，硅 CMOS 虽然成本低廉，但降噪等级却一般（表 1）。而砷化镓材料，尤其是增强型高迁移率晶体管技术 (pHEMT)，成本低且降噪性能好。

封装方法也可以影响噪声性能，尤其是 IC 引线和外部配线周围材料中电磁场能量损耗而引起的高频信号衰减。在 70 和 80 年代，低噪声微波放大器一般使用陶瓷封装设备，因为陶瓷封装的损耗极低（耗散因数tan = 0.001）。此外，陶瓷封装支持带状引线，可以匹配 PCB 路径的宽度，从而将断点最小化。为了节省成本，在 90 年代改为使用例如 SOT-23 或 SC-70 的塑料表面贴装 (SMP)，这种封装技术极大地降低了噪声性能，因为环氧树脂的损耗较高（tan = 0.006 到 0.014）。另外，芯片黏着和焊丝之间以及引线和微带接口之间的宽度突然改变也增加了反射损耗。

从设备级而言，大多数射频系数 - 包括噪声系数 - 都能通过缩小晶体管的特征尺寸（例如栅极长度）得以改善 。业已证明的是，将 CMOS 的特征尺寸从 0.18m 缩小至 90μm 可以在 1GHz 时有效降低噪音系数 0.2dB。其缺点是制造成本过高。

除了这些设备级技术，还有降低噪声的电路级技术。如在放大器的设计中，往往需要阻抗匹配。但是用于确保最大源信号传入放大器的输入共轭匹配 (ΓS) 和用于确保噪声系数最小的最佳噪声匹配 (Γopt) 之间存在显著差异。在匹配过程中，这种差异通常要求牺牲放大器的噪声性能，以避免回波损耗 (IRL) 随着发电机-输入阻抗转化率增加。通过洞孔或镀银谐振器增加放大器的无载 Q 值可以最大程度地降低 IRL 值，但这些复杂的器件不是太过笨重就是成本太高，无法用于大批量生产的商用产品中。

但事实表明，在源和接地路径中增加一个小的电感器(LS) 可以降低 ΓS - Γopt 分散，从而减少因输入共轭匹配而引起的噪声性能降低。据研究人员报道，使用该技术可以在 1.95GHz 时降低 0.15dB 的噪声。然而，事实是，在频率响应中开始形成远远高于设计通带的不良峰值之前，只能增加少量的或低于期望值的 LS。

另一个降低噪声的电路技术则利用平行连接来应对由于匹配造成的噪声性能降低。FET-型设备具有很高的最佳噪声阻抗 (Zopt)，因此并联两个或多个类似晶体管可以通过减少 Zopt 和发电机阻抗 (Zs) 之间的错误匹配来降低噪声。使用此方法的设备包括在 76 到 109MHzVHF FM 范围广播的 3 x FET 和 1.4GHz 的 2 x HEMT。

Avago MGA-63x 设备特性

在创建单片微波集成电路 (MMIC) LNA 设备的 MGA-63x线时，Avago 使用了其中最实用的设备和其它降低噪声的技术。例如，设备封装采用紧凑（2 x 2 x 0.75 毫米）的 8 引脚扁平无引线 (QFN) 结构，这种结构可以消除线焊引线框架封装中许多因反射而引起的固有间断。该系列设备的每个组件都使用相同封装尺寸和引脚，使开发者可以进行单面电路板设计，这种电路板可以通过简单的零件更换处理在 400MHz 到 4GHz 之间的多个频带。

MGA-63x 系列的加工技术是具有专利权的 0.25μm 特殊规格 GaAs 增强型伪形态高电子迁移率晶体管 (ePHEMT)工艺，具有高增益带宽 (fT > 30GHz)。该性能实现了在单级感应器中达到 LNA 的目标增益（在 0.9GHz 时> 7dB）。该工艺通过使金属板的厚度成为预处理中厚度的两倍，将互连过程中产生的噪声降至最低。此外，使用高导电性金属喷镀还能让封装设备的噪声系数与陶瓷设备相同。

该工艺有助于 MGA-63x 系列抵抗阻隔，通过降低增益和在信号强的情况下提高 F 值来减弱接收器的敏感性。异步干扰（例如使用同一个发射塔的大功率发射器）或同步来源（例如同时具有发射和接收能力的无线电收发器，在通过循环器或双工器时会发生传输泄露）能引起阻隔。高增益压缩阀值组件用于抵抗阻隔。增益压缩主要是由放大器中的超过线性区域的非线性传输特性所造成的，且散热增加是其主要原因。该工艺的膝点低电压 (0.3V) 允许电压切断前的大幅电压摆动，从而为设备提供高增益压缩阀值。另外，GaAs基底上相对较低的体积电导率有助于使热损耗降到最低。

MMIC 本身由一个单 FET 共源放大器和一个有源偏置调节器所组成（图 1）。有源偏置有助于改进 LNA 运行中的线性。少源电感 (LS) 可实现在同一个 ΓS 值上同时良好的 IRL 和低 F 值。（欲了解详细规格，请参考数据表。）

图 1. MGA-63 系列与高增益晶体管和有源偏置编码器结合在一起形成了集成 LNA 模块，具有出色的线性和低噪声系数。

由于调节器和 LNA 晶体管都是集成的，所以它们具有相似加工过程，这使得 Vbias和 VGS 能够互相"监督"。这样可以通过校正任何热量转移，来确保 Ids 的温度稳定性。它还有利于补偿晶片运行时跨导的变化。其结果是 MGA-63X 系列在室外运行的高度一致。

通过施加外部电压，Vbias，或在 Vdd 和偏压输入电路之间连接电阻器，偏置调节器可以调节 LNA 的静态电流(lds)。调节器的低电流启动要求（Ibias ≤ 1mA）与大多数 CMOS 系列兼容，使微控制器能够在时域多路复用(TDM) 应用中直接开关 LNA。

可调节偏压特性为平衡功率消耗的线性提供了一个便捷的方法。在不需要最高线性的应用情况中，设计者可以选择使用大于额定值 (6.8kΩ) 的 R偏置电流值来保持功率。或者可以通过在 25 到 75mA 范围内改变 IDD 使LNA 的 OIP3 值的变化达到 10dB，但对增益和输出功率匹配（ ΔG 和 ΔP1dB  ≤ 0.5dB）的影响应最小。这样可以设计出一种通过 Vbias 微控制器调节对频谱拥挤程度作出自适应响应的 LNA。

晶体管的设计和偏置电流调节器的运行都避免使用外部匹配网络，外部匹配网络会增加插入损耗并因此降低 LNA 的 F 值。晶体管设计尺寸适中，其额定偏置电流设定使其输入阻抗接近 50Ω。集成的有源偏置调节器电路能够避免影响 LNA 的输入阻抗，而外部电阻器偏置电路则可能产生这种影响。这些特性可以消除输入匹配要求，并使 LNA 的噪声系数降至最低。

利用评估电路证明性能

为了展示 MGA-63x 系列非同凡响的性能，通过使用MGA-633P8 MMIC 和最小数量的被动元器件（用于匹配和偏置，无法在芯片级集成），Avago 创建并测试了一个能在 900MHz（图 2）下运行的蜂窝基站 LNA。元件值是根据单个设计模拟循环而选定的，且未通过工作台调谐优化。（关于评估主板模拟和开发的完整讨论参见 Avago 应用说明 AN-5457，MGA-633P8GaAs MMIC LNA 适用于具有行业最佳噪声系数和线性的900MHz BTS 放大器。）即便如此，评估主板同样证实了利用 MGA-63 系列设计的 LNA 的一些主要特征。

图 2. 该演示电路展示了用于评估 Avago MGA-63x 系列的完整900MHz BTS LNA 设计。

其中之一是，展示板表明了由于输入感应器 (L1) 的基本功能与射频扼流器十分相似，因此放大器的输入损耗比输入谐振器的无载 Q 值 (QUL) 要小得多。模拟显示了在 20-100 范围内的任意 QUL 值下，ΔF <0.05。该范围表示，在低噪音放大器的下端使用的是 0402 规格的叠层感应器，而在其顶端使用的则是更大的空心感应器。无严格要求的输入谐振器能够实现低成本且紧凑的 LNA设计。

评估主板的印制电路板（图 3）体现了设计的紧凑程度。电路板的尺寸为 21.5 x 18 x 1.4 毫米，包含一个基于 10 mils Rogers RO4350 （中等价位材料，具有适当的射频性能，可以兼容 FR4 工艺）的微带。将成本更低的 1.2 毫米 FR4 材料与 RO4350 接地层压合可以使其具有硬度。通过从边缘发射 SMA 到微带跃迁（Johnson零件编号 142-0701-856）来实现射频连接，同时通过一个 2 引脚直线 PCB 头来接通直流电。由于输入谐振器无严格要求，可以使用 0402 规格的芯片将组件所占面积缩小至 8 x 10 毫米2。

图 3. 整个 LNA 在 PCB 上所占的面积仅比射频输入/输出连接器略大。

在 900MHz 时，演示 LNA 实现 F ≈ 0.3dB，增益 (G) ≈18dB，并且输入和输出回波损耗（IRL 和 ORL）都更优于 -15dB（图 4）。这些回波损耗都在大于 1GHz 的范围内，表明输入和输出匹配都有广泛的带宽，这从系统的角度来看非常有利。按照惯例，所有 BTS LNA 都是通过隔离器或正交混合耦合器（平衡的 LNA）来达到预期的输入匹配。所设计的这种低输入回波损耗 (IRL) 可以将许多应用中的高损耗和高成本的隔离器/正交耦合器淘汰。而且，输入和输出匹配的大带宽范围可以通过终止反射来防止射 BTS 双工器和输入/输出滤波器的失谐，从而降低了这些系统元件的复杂性要求（以及成本）。

图 4. 增益和回波损耗图显示了 LNA 匹配网络的频率不敏感性。

尽管 MGA-63x 系列的主要目标市场是窄频带蜂窝BST，但是评估主板所显示的射频性能（在 400MHz 到1400MHz 范围内 F <0.4dB，R <-10dB）表明该设备还是适用于许多宽频带/多频带应用领域，例如有线/卫星电视分配设备、扫描仪、军事设备和多服务无线电通信设备等。

评估主板的测试结果证实了 MGA-63x 有源偏置、超低噪音放大器系列为基站设计者提供了大量重要且有价值的特性。除了为蜂窝通信系统提供高线性和低噪音数据外，这些设备还为单级 LAN 设计提供了高增益，而充足的增益余量能减少信号路径中对双工滤波器的设计需求，有源偏置控制用于自适应功率/线性控制，固有的 50Ω 输入阻抗能消除对匹配网络的需求。其结果是操作更简单、体积更小、功能更强大且成本更低的 LNA 设计。