隨著對無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，因?yàn)樗苡绊懟靖采w面積及其對附近其他發(fā)射器的容限。集成的 LNA 配備了有源偏置調(diào)節(jié)器，例如 Avago Technology 的 MGA-63x系列，能夠?yàn)榻艹龅?BTS 性能提供噪聲系數(shù)和線性。

蜂窩基站 (BTS) 設(shè)計(jì)應(yīng)具有廣泛的覆蓋范圍，同時(shí)能夠共用一個(gè)配備多種無線發(fā)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)提供服務(wù)，并且可以與其他使用者共同承擔(dān)網(wǎng)點(diǎn)成本。為了滿足覆蓋和分享的要求，BTS 架構(gòu)中需要配備敏感度高的接收器來接收遠(yuǎn)程手機(jī)信號，同時(shí)還要排除從附近無線發(fā)射器發(fā)射的帶內(nèi)和帶外強(qiáng)信號。

接收器的敏感性是多種因素作用的結(jié)果，它決定了無線接收器能夠還原的最弱的信號，其中包括接收器信號帶寬（BW，單位：Hz）和信號必須支持的信息速率。敏感度可以這樣描述：

SNR 表示信噪比，該比率必須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 級的增益，表明接收鏈中第一放大階段的噪聲系數(shù) (F1) 對系統(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越來越小。因此，第一階段的低噪聲放大器 (LNA) 能夠通過最小化級聯(lián)噪聲系數(shù) F 來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附近。這樣的布置有助于減弱由天線到遠(yuǎn)程 LNA 級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 BTS 架構(gòu)的因素，一個(gè)是共用天線雙工工作的發(fā)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。但是，雙工器和濾波器都會有損耗。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 extra marginNA 還是會降低雙工濾波器的損耗要求。

BTS 設(shè)計(jì)中 LNA 還要滿足除低噪聲系數(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 和地面無線電廣播室之間的長電纜的損耗）和高線性。高線性用于防止在處理強(qiáng)信號時(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非常重要，但 LNA 的噪聲系數(shù)才是其決定性也是最重要的特征。許多設(shè)計(jì)和加工技術(shù)都會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 公式表明了電子放大器 (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，并且證明了在900MHz 時(shí) FF ≈ 0.05dB。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 萬美元）使這種冷卻方法極不實(shí)用，除非是類似于無線電望遠(yuǎn)鏡和行星探測器地面接收站這種對于性能要求極高的應(yīng)用領(lǐng)域。

其他影響放大器系數(shù)的主要因素比較容易控制。例如，制造晶體管所選用的半導(dǎo)體材料對放大器噪聲系數(shù)的影響非常大。尖端材料，例如磷化銦 (InP) 具有無以倫比的降噪性能。但是，對于日常商業(yè)用途來說，這些材料的成本往往過于高昂。另一方面，硅 CMOS 雖然成本低廉，但降噪等級卻一般（表 1）。而砷化鎵材料，尤其是增強(qiáng)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 引線和外部配線周圍材料中電磁場能量損耗而引起的高頻信號衰減。在 70 和 80 年代，低噪聲微波放大器一般使用陶瓷封裝設(shè)備，因?yàn)樘沾煞庋b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)省成本，在 90 年代改為使用例如 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，因?yàn)榄h(huán)氧樹脂的損耗較高（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改變也增加了反射損耗。

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

除了這些設(shè)備級技術(shù)，還有降低噪聲的電路級技術(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傳入放大器的輸入共軛匹配 (ΓS) 和用于確保噪聲系數(shù)最小的最佳噪聲匹配 (Γopt) 之間存在顯著差異。在匹配過程中，這種差異通常要求犧牲放大器的噪聲性能，以避免回波損耗 (IRL) 隨著發(fā)電機(jī)-輸入阻抗轉(zhuǎn)化率增加。通過洞孔或鍍銀諧振器增加放大器的無載 Q 值可以最大程度地降低 IRL 值，但這些復(fù)雜的器件不是太過笨重就是成本太高，無法用于大批量生產(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 ΓS - Γopt 分散，從而減少因輸入共軛匹配而引起的噪聲性能降低。據(jù)研究人員報(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)中開始形成遠(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)則利用平行連接來應(yīng)對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減少 Zopt 和發(fā)電機(jī)阻抗 (Zs) 之間的錯(cuò)誤匹配來降低噪聲。使用此方法的設(shè)備包括在 76 到 109MHzVHF FM 范圍廣播的 3 x FET 和 1.4GHz 的 2 x HEMT。

Avago MGA-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 使用了其中最實(shí)用的設(shè)備和其它降低噪聲的技術(shù)。例如，設(shè)備封裝采用緊湊（2 x 2 x 0.75 毫米）的 8 引腳扁平無引線 (QFN) 結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以消除線焊引線框架封裝中許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簡單的零件更換處理在 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 0.25μm 特殊規(guī)格 GaAs 增強(qiáng)型偽形態(tài)高電子遷移率晶體管 (ePHEMT)工藝，具有高增益帶寬 (fT > 30GHz)。該性能實(shí)現(xiàn)了在單級感應(yīng)器中達(dá)到 LNA 的目標(biāo)增益（在 0.9GHz 時(shí)> 7dB）。該工藝通過使金屬板的厚度成為預(yù)處理中厚度的兩倍，將互連過程中產(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 系列抵抗阻隔，通過降低增益和在信號強(qiáng)的情況下提高 F 值來減弱接收器的敏感性。異步干擾（例如使用同一個(gè)發(fā)射塔的大功率發(fā)射器）或同步來源（例如同時(shí)具有發(fā)射和接收能力的無線電收發(fā)器，在通過循環(huán)器或雙工器時(shí)會發(fā)生傳輸泄露）能引起阻隔。高增益壓縮閥值組件用于抵抗阻隔。增益壓縮主要是由放大器中的超過線性區(qū)域的非線性傳輸特性所造成的，且散熱增加是其主要原因。該工藝的膝點(diǎn)低電壓 (0.3V) 允許電壓切斷前的大幅電壓擺動，從而為設(shè)備提供高增益壓縮閥值。另外，GaAs基底上相對較低的體積電導(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)節(jié)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) ΓS 值上同時(shí)良好的 IRL 和低 F 值。（欲了解詳細(xì)規(guī)格，請參考數(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，具有出色的線性和低噪聲系數(shù)。

由于調(diào)節(jié)器和 LNA 晶體管都是集成的，所以它們具有相似加工過程，這使得 Vbias和 VGS 能夠互相“監(jiān)督”。這樣可以通過校正任何熱量轉(zhuǎn)移，來確保 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)行的高度一致。

通過施加外部電壓，Vbias，或在 Vdd 和偏壓輸入電路之間連接電阻器，偏置調(diào)節(jié)器可以調(diào)節(jié) LNA 的靜態(tài)電流(lds)。調(diào)節(jié)器的低電流啟動要求（Ibias ≤ 1mA）與大多數(shù) CMOS 系列兼容，使微控制器能夠在時(shí)域多路復(fù)用(TDM) 應(yīng)用中直接開關(guān) LNA。

可調(diào)節(jié)偏壓特性為平衡功率消耗的線性提供了一個(gè)便捷的方法。在不需要最高線性的應(yīng)用情況中，設(shè)計(jì)者可以選擇使用大于額定值 (6.8kΩ) 的 R偏置電流值來保持功率。或者可以通過在 25 到 75mA 范圍內(nèi)改變 IDD 使LNA 的 OIP3 值的變化達(dá)到 10dB，但對增益和輸出功率匹配（ ΔG 和 ΔP1dB  ≤ 0.5dB）的影響應(yīng)最小。這樣可以設(shè)計(jì)出一種通過 Vbias 微控制器調(diào)節(jié)對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)節(jié)器的運(yùn)行都避免使用外部匹配網(wǎng)絡(luò)，外部匹配網(wǎng)絡(luò)會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 50Ω。集成的有源偏置調(diào)節(jié)器電路能夠避免影響 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。這些特性可以消除輸入匹配要求，并使 LNA 的噪聲系數(shù)降至最低。

利用評估電路證明性能

為了展示 MGA-63x 系列非同凡響的性能，通過使用MGA-633P8 MMIC 和最小數(shù)量的被動元器件（用于匹配和偏置，無法在芯片級集成），Avago 創(chuàng)建并測試了一個(gè)能在 900MHz（圖 2）下運(yùn)行的蜂窩基站 LNA。元件值是根據(jù)單個(gè)設(shè)計(jì)模擬循環(huán)而選定的，且未通過工作臺調(diào)諧優(yōu)化。（關(guān)于評估主板模擬和開發(fā)的完整討論參見 Avago 應(yīng)用說明 AN-5457，MGA-633P8GaAs MMIC LNA 適用于具有行業(yè)最佳噪聲系數(shù)和線性的900MHz BTS 放大器。）即便如此，評估主板同樣證實(shí)了利用 MGA-63 系列設(shè)計(jì)的 LNA 的一些主要特征。

圖 2. 該演示電路展示了用于評估 Avago MGA-63x 系列的完整900MHz BTS LNA 設(shè)計(jì)。

其中之一是，展示板表明了由于輸入感應(yīng)器 (L1) 的基本功能與射頻扼流器十分相似，因此放大器的輸入損耗比輸入諧振器的無載 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，ΔF <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 21.5 x 18 x 1.4 毫米，包含一個(gè)基于 10 mils Rogers RO4350 （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。通過從邊緣發(fā)射 SMA 到微帶躍遷（Johnson零件編號 142-0701-856）來實(shí)現(xiàn)射頻連接，同時(shí)通過一個(gè) 2 引腳直線 PCB 頭來接通直流電。由于輸入諧振器無嚴(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 8 x 10 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) F ≈ 0.3dB，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)的角度來看非常有利。按照慣例，所有 BTS LNA 都是通過隔離器或正交混合耦合器（平衡的 LNA）來達(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) 可以將許多應(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終止反射來防止射 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)元件的復(fù)雜性要求（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)市場是窄頻帶蜂窩BST，但是評估主板所顯示的射頻性能（在 400MHz 到1400MHz 范圍內(nèi) F <0.4dB，R <-10dB）表明該設(shè)備還是適用于許多寬頻帶/多頻帶應(yīng)用領(lǐng)域，例如有線/衛(wèi)星電視分配設(shè)備、掃描儀、軍事設(shè)備和多服務(wù)無線電通信設(shè)備等。

評估主板的測試結(jié)果證實(shí)了 MGA-63x 有源偏置、超低噪音放大器系列為基站設(shè)計(jì)者提供了大量重要且有價(jià)值的特性。除了為蜂窩通信系統(tǒng)提供高線性和低噪音數(shù)據(jù)外，這些設(shè)備還為單級 LAN 設(shè)計(jì)提供了高增益，而充足的增益余量能減少信號路徑中對雙工濾波器的設(shè)計(jì)需求，有源偏置控制用于自適應(yīng)功率/線性控制，固有的 50Ω 輸入阻抗能消除對匹配網(wǎng)絡(luò)的需求。其結(jié)果是操作更簡單、體積更小、功能更強(qiáng)大且成本更低的 LNA 設(shè)計(jì)。