實(shí)現(xiàn)無(wú)線電傳輸范圍和可靠性的RF增益模塊介紹

“無(wú)線電”這個(gè)術(shù)語(yǔ)現(xiàn)在意味著比過(guò)去更多。早期的無(wú)線電發(fā)射機(jī)只不過(guò)是振蕩器，它只是通過(guò)幅度，頻率或相位將信號(hào)信息調(diào)制到載波上。設(shè)計(jì)并使用了簡(jiǎn)單的單芯片或晶體管發(fā)射器和接收器，功率晶體管可以提供足夠的功率以滿足大多數(shù)需求。今天，普通人普遍使用多個(gè)RF收發(fā)器的個(gè)人移動(dòng)設(shè)備是司空見(jiàn)慣的。

這些現(xiàn)代無(wú)線電具有很高的性能和可靠性。我們的無(wú)線鏈接必須工作以及有線鏈接。這意味著在我們的接收信號(hào)被仔細(xì)檢查和解碼的同時(shí)，許多在后臺(tái)運(yùn)行的子系統(tǒng)需要擺動(dòng)。隨著數(shù)字時(shí)代的到來(lái)，甚至模擬信號(hào)也以數(shù)字形式處理。數(shù)字系統(tǒng)，尤其是密集且具有多個(gè)時(shí)鐘的數(shù)字系統(tǒng)，可能會(huì)產(chǎn)生噪聲，增加高功率發(fā)射器也會(huì)降低對(duì)接收信號(hào)的敏感度。

其他要求，如跳頻，擴(kuò)頻，協(xié)議前導(dǎo)碼，CRC，ECC，ACK/NOACK，僅舉幾例，使簡(jiǎn)單的晶體管RF鏈路過(guò)時(shí)。因此，RF鏈路需要比以往更復(fù)雜的芯片。對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，就像背著沉重的石頭一樣，每一代都會(huì)越來(lái)越重，因?yàn)樵黾恿藦?fù)雜性。

設(shè)計(jì)過(guò)程也經(jīng)歷了復(fù)雜程度的提高。多個(gè)地平面需要收斂。數(shù)字地平面可能充滿開(kāi)關(guān)噪聲。模擬地平面應(yīng)盡可能安靜，因此傳感器可以將可靠的電平傳遞到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的敏感A/D級(jí)。 RF接地平面還應(yīng)策略性地保護(hù)低電平無(wú)線電信號(hào)，同時(shí)保持一致的傳輸線阻抗。這在分層電源和地平面設(shè)計(jì)以及布局電路板時(shí)的功能劃分方面提出了更多的思考。

本文介紹了可以從現(xiàn)代高端無(wú)線電芯片中獲取預(yù)先形成的復(fù)雜RF信號(hào)的離散RF增益模塊階段并提升水平以實(shí)現(xiàn)更高的范圍和可靠性。此外，雖然特定頻段和協(xié)議的功率輸出水平確實(shí)由政府機(jī)構(gòu)決定，但如果我們想要充分利用我們?cè)试S傳輸?shù)墓β孰娖?，增益模塊可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

增益塊的優(yōu)點(diǎn)

現(xiàn)代數(shù)字無(wú)線電允許使用的增加的發(fā)射功率量是一種混合的祝福。由于采用擴(kuò)頻技術(shù)，與10 mW的發(fā)射功率相比，無(wú)線電可以發(fā)射高達(dá)1.5 W的發(fā)射功率，而較舊的窄帶AM和FM發(fā)射機(jī)是允許的。這有利于增加范圍和信號(hào)接收可靠性，但增加了對(duì)設(shè)計(jì)的更多功率要求，以及另一個(gè)可能噪聲源由于對(duì)低電平信號(hào)的敏感性和不斷增長(zhǎng)的功能集成，只有太多功率復(fù)雜的無(wú)線電SoC可以處理。逆平方功率定律表明將天線移動(dòng)到安靜點(diǎn)可以降低數(shù)字系統(tǒng)的噪聲，從而優(yōu)化接收效果。因此，RF開(kāi)關(guān)(參見(jiàn)TechZone文章“RF開(kāi)關(guān)增加靈活性”)可以是用于將無(wú)線電信號(hào)從嘈雜的SoC引導(dǎo)到更優(yōu)化的位置，并允許使用多個(gè)天線(圖1)。對(duì)于傳輸信號(hào)，增益天線可以增加范圍和功率輸出，但增益模塊可以將原始RF用于傳輸，并將其提升到更高的水平，以達(dá)到其符合標(biāo)準(zhǔn)所允許的最大功率。

實(shí)現(xiàn)無(wú)線電傳輸范圍和可靠性的RF增益模塊介紹圖1：RF開(kāi)關(guān)可以允許多個(gè)天線，以提高接收靈敏度和三角測(cè)量，以及更好的發(fā)射輻射模式。地平面的戰(zhàn)略分離有助于保持模擬和射頻部分的安靜。注意模擬和數(shù)字地平面在微型AVss引腳上連接在一起。

將更高功率的發(fā)射器移動(dòng)到電路板上的遠(yuǎn)程或外圍位置有許多優(yōu)點(diǎn)。差分信號(hào)可以通過(guò)電路板將低電平無(wú)線電信號(hào)干凈地傳遞到邊緣安裝的PC板天線，外部天線連接器或兩者。外圍是用于傳輸(和接收)信號(hào)的暢通路徑的最佳鏡頭，并且在選擇外殼材料時(shí)允許更多控制，以便不會(huì)削弱性能。此外，冗余天線可用于改善發(fā)射覆蓋范圍，以及在多個(gè)平面上接收靈敏度。

各種應(yīng)用的設(shè)計(jì)可利用增益模塊，包括GSM，蜂窩，本地多點(diǎn)分配服務(wù)(LMDS) )，多通道多點(diǎn)分配服務(wù)(MMDS)，CATV等。

已經(jīng)出現(xiàn)了增益塊，以解決通用和頻段特定的需求。在這兩種情況下，它們都采用低電平RF信號(hào)，并為具有非常特定特性的天線提供功率增益。一些制造商(如ADI公司)制造了一系列針對(duì)特定設(shè)計(jì)以及通用和寬帶應(yīng)用的增益模塊。

ADI公司AD8353ACPZ-REEL7是一款基本輸入/輸出兩級(jí)反饋放大器，結(jié)構(gòu)緊湊8-VFDFN封裝，帶有裸露焊盤(pán)。它針對(duì)蜂窩，LMDS和MMDS設(shè)計(jì)。良好的1 MHz至2.7 GHz，它是一個(gè)相當(dāng)寬的放大器，能夠運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的3或5 V電源，并提供固定的20 dB增益。其緊湊的尺寸和簡(jiǎn)單的“直通”布局使其可以輕松放置在自己的地平面上(圖2)。

實(shí)現(xiàn)無(wú)線電傳輸范圍和可靠性的RF增益模塊介紹圖2：無(wú)源元件可用于在單端或差分配置中將單端輸出耦合到天線。另一個(gè)類似的例子是Analog Devices ADL5530ACPZ-R7，它支持CDMA2000，W-CDMA，GSM和細(xì)胞。仔細(xì)觀察，您會(huì)發(fā)現(xiàn)它從0 Hz到1 GHz都很好，非常適合928 MHz ISM頻段設(shè)計(jì)，以及醫(yī)療植入物，工業(yè)控制等的低頻段。更高頻率仍然合理寬帶ADL5542ACPZ-R7可處理50 MHz至6 GHz，并針對(duì)蜂窩和CATV設(shè)計(jì)。

ADI公司推出的新型ADL5610，ADL5611，ADL5544和ADL5545器件將寬頻率范圍擴(kuò)展至30在保持高頻6 GHz高端的同時(shí)達(dá)到MHz。它們的增益水平不同，都采用非常緊湊的SOT89-3封裝。

Avago Technologies還生產(chǎn)一種帶有MGA-30689-TR1G扁平增益高線性度SOT-89器件的RF增益模塊芯片。它的工作頻率范圍為40 MHz至3 GHz，它包含了所有當(dāng)前的2.4 GHz協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，并采用了直通布局(圖3)。它需要一個(gè)5 V單電源，在40 MHz至2.6 GHz范圍內(nèi)具有平坦的14 dB(±0.5 dB)增益響應(yīng)。

實(shí)現(xiàn)無(wú)線電傳輸范圍和可靠性的RF增益模塊介紹圖3：SOT封裝也適用于良好的直通放大，與裸露焊盤(pán)VFDFN封裝一樣，提供與地平面的牢固連接。

Hittite也在這個(gè)舞臺(tái)上播放并提供一些感興趣的部分。例如，可比較的SOT-89寬帶HMC311ST89E，從0 Hz到6 GHz都很好。其50Ω增益級(jí)可級(jí)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)的更高輸出電平。如果使用達(dá)林頓輸出對(duì)提供16 dB增益，與其他技術(shù)相比可顯著降低電流消耗。

Hittite還提供2 x 2 mm的“超高”頻率(0至10 GHz)增益模塊GaAs pHEMT HMC788LP2E增益阻滯級(jí)。該器件還具有50Ω阻抗的級(jí)聯(lián)功能，可直接驅(qū)動(dòng)單平衡或雙平衡混頻器的本地振蕩器端口，輸出功率高達(dá)20 dBm。它還采用5 V電源和達(dá)林頓反饋對(duì)，在溫度范圍內(nèi)具有出色的增益穩(wěn)定性。

Hittite的增益模塊評(píng)估板，標(biāo)記為119394-HMC636ST89，可以使用直通外部連接器演示器件的性能(圖4) )。

實(shí)現(xiàn)無(wú)線電傳輸范圍和可靠性的RF增益模塊介紹圖4：RF增益塊評(píng)估單元演示了“理想的”地平面使用情況，以及使用外部連接器直接連接到天線或阻抗控制布線到目標(biāo)的直通架構(gòu)設(shè)計(jì)。這簡(jiǎn)化了原型設(shè)計(jì)和測(cè)試。

在接收端

有趣的是，增益塊不僅用于發(fā)送器級(jí)，還可用于與接收鏈相關(guān)的目的。一個(gè)很好的例子是Linear Tech LTC6430BIUF-15PBF。該部分調(diào)節(jié)原始接收數(shù)據(jù)并針對(duì)超高速差分A/D轉(zhuǎn)換器級(jí)進(jìn)行優(yōu)化(圖5)。軟件定義無(wú)線電(SDR)和直接DSP類型的解調(diào)方案(如正交頻分復(fù)用(OFDM))的理想選擇，該器件采用24引腳QFN封裝，可直接耦合到外部A/D或微控制器的高性能A/D級(jí)。請(qǐng)注意，4 x 4 mm尺寸仍然相當(dāng)小，可用于手持式和便攜式設(shè)備(但功耗為800 mW)。

實(shí)現(xiàn)無(wú)線電傳輸范圍和可靠性的RF增益模塊介紹圖5：RF增益模塊對(duì)于接收部分，用于放大和調(diào)節(jié)低電平接收信號(hào)為全擺幅差分信號(hào)對(duì)，用于基于DSP解調(diào)的直接高速差分A/D轉(zhuǎn)換器。

總之，本文討論了為什么增益塊是一項(xiàng)了解的好技術(shù)，并向您展示如何利用可用部件來(lái)實(shí)現(xiàn)最大傳輸范圍，同時(shí)保持接收靈敏度。正如我們已經(jīng)注意到的那樣，RF增益模塊進(jìn)一步為工程師提供了更大的靈活性和自由度，可用于布置可容納您設(shè)計(jì)的物理PC板。