射頻/微波通信中的低噪聲放大器和功率放大器作用分析

2020-11-22 電子發燒友

對射頻/微波通信應以而言，放大器主要完成兩大任務，一是增強接收機的低電平信號，一是提升發射機的高電平輸出信號。雖然它們的功能、尺寸和功率要求不盡相同，但這兩种放大器都受益於電晶體技術的持續改進。

根據輸出要求的不同，放大器種類十分廣泛，可以從微型晶片到帶數字接口的完整子系統。一般來說，更高集成度，比如將放大器和其它收發器件一起嵌入在晶片上，仍然受到小信號設計的歡迎。而大多數大信號放大器或功率放大器仍採用分立電晶體和分立匹配器件進行設計。功率電晶體的體積本身就要比低噪聲或小信號電晶體大。它們比低噪聲電晶體散發更多的熱量，需要更大的支撐性（阻抗匹配、供電）無源器件，這些都使得功率放大器的體積要大過低噪聲放大器 （LNA）。功率放大器的工作電流在安培數量級，而LNA只需要毫安級的電流。

微波低噪聲設計和功率放大器設計曾經都由GaAs場效應電晶體（FET）主導。但其它電晶體架構的不斷推出，如GaAs異質結雙極電晶體 （HBT）和高電子遷移率電晶體（HEMT），給高頻LNA放大器設計師提供了替代傳統高頻矽雙極電晶體和GaAs FET的可能。對於較高頻率的功率放大器來說，GaAs FET仍是必選的器件。但在較低頻率，矽橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS）、碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）電晶體具有很高的功率密度。

許多供應商同時提供LNA和功率放大器，而一些供應商可能只專做其中的一種。大多數公司可以讓用戶選擇特定帶寬或寬帶的放大器，這種寬帶放大器可以用於不同的應用。例如， Microwave Solutions公司同時提供特定頻帶內的功率放大器和LNA。該公司的MSH-5617902的功率放大器用於從5.9GHz至*GHz的C波段應用，其1dB壓縮點輸出功率為+40dBm，三階截取點輸出為+49dBm，在+12V直流電源下可提供40dB增益，消耗電流7A。雖然不是專門針對低噪聲設計，但它能實現難得的8dB噪聲係數。

Microwave Solutions公司的MSD-5611402放大器同樣是一款針對5.9GHz至*GHz頻段設計的LNA。雖然它的1dB壓縮點輸出功率只有+18dBm，但它擁有1.6dB的低噪聲係數，工作在+12V直流電源下的消耗電流僅為120mA。

CTT公司的LNA採用了GaAs PHEMT技術，工作頻帶為0.5GHz至20.0GHz。CTT公司的AM系列LNA包括了增益為22dB的AMM/020-1022，這個放大器的噪聲係數是1dB，工作頻帶為0.5GHz至2.0GHz。

Hittite Microwave公司推出了晶片型和封裝好的LNA，如HMC617LP3。這個LNA採用QFN封裝，尺寸只有3x3mm。該LNA採用GaAs PHEMT半導體技術製造，工作頻帶為550MHz至1200MHz，具有0.5dB的低噪聲係數和16dB的增益。

ADI公司的ADL5521 LNA同樣採用GaAs PHEMT技術製造，工作頻帶為0.4GHz至4.0GHz，並採用了3x3mm LFCSP封裝。該器件在900MHz時的噪聲係數為0.8dB，典型增益為20.8dB。

Mini-Circuits公司提供了一款表面貼封裝的LNA模塊，型號為*P-960LN+，尺寸僅為0.59x0.39x0.12英寸。該器件的工作頻帶為824MHz至960MHz，在915MHz頻率下的噪聲係數僅為0.55dB，增益為18dB，輸出功率+16.5dBm，非常適用於 GSM接收機。

Centellax公司的UA1L30VM放大器模塊是針對原始信號帶寬開發的產品，在0.01GHz至30.00GHz範圍內可實現30dB 的典型增益，噪聲係數為4.5dB。AML Communications公司也提供寬帶放大器，比如AML240L2201。該放大器在2GHz至40GHz範圍內最小增益為22dB。

雖然LNA傾向於採用表面貼封裝和緊湊的同軸封裝，但功率放大器最初採用的是同軸模塊，最大的需要用19英寸機架來放置。例如，Milmega 公司的RF1000型功率放大器融合了MMIC和SiC器件技術，在200MHz至1，000MHz範圍內可輸出特別高的射頻功率。它能產生1，000W 的飽和輸出功率，重達130公斤，在19英寸機架中佔18個單元位置。

Microwave Power公司專門針對熱管理和集成應用開發專有電路。該公司根據在陶瓷基底上應用單片集成電路製造技術的方法，製造出的放大器可工作於1GHz至40GHz頻帶，飽和輸出功率可達+57.5dBm，噪聲係數為12dB。

在功率和集成度方面，Ophir RF公司最近推出了型號為7000的放大器系統。該系統集成了4個獨立的通道，分別覆蓋1MHz至30MHz、30MHz至500MHz、500MHz至 1000MHz、1.0GHz至2.5GHz頻帶。其中三個較低頻率的通道提供100W的典型飽和輸出功率，另一個微波通道提供50W的典型飽和功率。這個靠風扇冷卻的系統體積為19x8.75x26英寸，重量是95磅。

雖然越來越多的電晶體級射頻/微波放大器供應商正在提供行波管放大器（TWTA）的固態「替代」品，但TWTA遠未過時。AR Worldwide公司為系統和測試應用提供種類廣泛的固態和TWTA放大器。比如型號為2000T8G18的放大器，它能在7.5GHz至 18.0GHz範圍內輸出2，000W的CW功率。這個大功率放大器重量達2，600磅（1，182kg）。TMD公司稍微有些複雜的PTC*2 TWTA可以在7.5GHz至18.0GHz範圍內產生最小500W的輸出功率，增益為57dB，但重量只有105.6磅（48kg）。

Xicom Technology公司最近推出了幾款重量更輕的TWTA。該公司的C波段XTRD-1250CL型號和Ku波段XTRD-1250KL型號TWTA分別工作在5.85GHz至*25GHz和13.75GHz至14.50GHz衛星通信上行鏈路頻段，佔6個機架單元，滿載重量只有115磅。它們可以提供 1250W的峰值輸出功率。

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