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 性能的關鍵因素，因為它能影響基站覆蓋面積及其對附近其他發射器的容限。集成的 LNA 配備了有源偏置調節器，例如 Avago Technology 的 MGA-63x系列，能夠為杰出的 BTS 性能提供噪聲系數和線性。

蜂窩基站 (BTS) 設計應具有廣泛的覆蓋范圍，同時能夠共用一個配備多種無線發射器的塔站。這些特性使服務供應商用幾個網點就能向一個地區提供服務，并且可以與其他使用者共同承擔網點成本。為了滿足覆蓋和分享的要求，BTS 架構中需要配備敏感度高的接收器來接收遠程手機信號，同時還要排除從附近無線發射器發射的帶內和帶外強信號。

接收器的敏感性是多種因素作用的結果，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 表示系統的噪聲系數。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 (F1) 對系統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噪聲系數 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程 LNA 級之間的電纜損耗而造成的噪聲系數衰減。還有另外兩個影響 BTS 架構的因素，一個是共用天線雙工工作的發射-接收 (Tx-Rx) 雙工器，一個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 設計中 LNA 還要滿足除低噪聲系數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信號時可能引起通道間干擾的失真。

放大器設計中的低噪聲技術

雖然高增益和高線性非常重要，但 LNA 的噪聲系數才是其決定性也是最重要的特征。許多設計和加工技術都會影響放大器的噪聲系數 (F)，但其中一些并不適用于 BTS。例如，Fukui 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。因此這種關聯，通過目前最有效的降低噪聲的方法，即閉合循環氮氣冷卻，可以將TPHY 降低到接近 OK，并且證明了在900MHz 時 FF ≈ 0.05dB。但是，不斷的維護和低溫冷卻的高成本（每個冷卻器約 1 萬美元）使這種冷卻方法極不實用，除非是類似于無線電望遠鏡和行星探測器地面接收站這種對于性能要求極高的應用領域。

其他影響放大器系數的主要因素比較容易控制。例如，制造晶體管所選用的半導體材料對放大器噪聲系數的影響非常大。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，尤其是增強型高遷移率晶體管技術 (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備，因為陶瓷封裝的損耗極低（耗散因數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，從而將斷點最小化。為了節省成本，在 90 年代改為使用例如 SOT-23 或 SC-70 的塑料表面貼裝 (SMP)，這種封裝技術極大地降低了噪聲性能，因為環氧樹脂的損耗較高（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。

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

除了這些設備級技術，還有降低噪聲的電路級技術。如在放大器的設計中，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) 隨著發電機-輸入阻抗轉化率增加。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的商用產品中。

但事實表明，在源和接地路徑中增加一個小的電感器(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。據研究人員報道，使用該技術可以在 1.95GHz 時降低 0.15dB 的噪聲。然而，事實是，在頻率響應中開始形成遠遠高于設計通帶的不良峰值之前，只能增加少量的或低于期望值的 LS。

另一個降低噪聲的電路技術則利用平行連接來應對由于匹配造成的噪聲性能降低。FET-型設備具有很高的最佳噪聲阻抗 (Zopt)，因此并聯兩個或多個類似晶體管可以通過減少 Zopt 和發電機阻抗 (Zs) 之間的錯誤匹配來降低噪聲。使用此方法的設備包括在 76 到 109MHzVHF FM 范圍廣播的 3 x FET 和 1.4GHz 的 2 x HEMT。

Avago MGA-63x 設備特性

在創建單片微波集成電路 (MMIC) LNA 設備的 MGA-63x線時，Avago 使用了其中最實用的設備和其它降低噪聲的技術。例如，設備封裝采用緊湊（2 x 2 x 0.75 毫米）的 8 引腳扁平無引線 (QFN) 結構，這種結構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。該系列設備的每個組件都使用相同封裝尺寸和引腳，使開發者可以進行單面電路板設計，這種電路板可以通過簡單的零件更換處理在 400MHz 到 4GHz 之間的多個頻帶。

MGA-63x 系列的加工技術是具有專利權的 0.25μm 特殊規格 GaAs 增強型偽形態高電子遷移率晶體管 (ePHEMT)工藝，具有高增益帶寬 (fT > 30GHz)。該性能實現了在單級感應器中達到 LNA 的目標增益（在 0.9GHz 時> 7dB）。該工藝通過使金屬板的厚度成為預處理中厚度的兩倍，將互連過程中產生的噪聲降至最低。此外，使用高導電性金屬噴鍍還能讓封裝設備的噪聲系數與陶瓷設備相同。

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（例如使用同一個發射塔的大功率發射器）或同步來源（例如同時具有發射和接收能力的無線電收發器，在通過循環器或雙工器時會發生傳輸泄露）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。該工藝的膝點低電壓 (0.3V) 允許電壓切斷前的大幅電壓擺動，從而為設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率有助于使熱損耗降到最低。

MMIC 本身由一個單 FET 共源放大器和一個有源偏置調節器所組成（圖 1）。有源偏置有助于改進 LNA 運行中的線性。少源電感 (LS) 可實現在同一個 ΓS 值上同時良好的 IRL 和低 F 值。（欲了解詳細規格，請參考數據表。）

圖 1. MGA-63 系列與高增益晶體管和有源偏置編碼器結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。

由于調節器和 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“監督”。這樣可以通過校正任何熱量轉移，來確保 Ids 的溫度穩定性。它還有利于補償晶片運行時跨導的變化。其結果是 MGA-63X 系列在室外運行的高度一致。

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，偏置調節器可以調節 LNA 的靜態電流(lds)。調節器的低電流啟動要求（Ibias ≤ 1mA）與大多數 CMOS 系列兼容，使微控制器能夠在時域多路復用(TDM) 應用中直接開關 LNA。

可調節偏壓特性為平衡功率消耗的線性提供了一個便捷的方法。在不需要最高線性的應用情況中，設計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 范圍內改變 IDD 使LNA 的 OIP3 值的變化達到 10dB，但對增益和輸出功率匹配（ ΔG 和 ΔP1dB  ≤ 0.5dB）的影響應最小。這樣可以設計出一種通過 Vbias 微控制器調節對頻譜擁擠程度作出自適應響應的 LNA。

晶體管的設計和偏置電流調節器的運行都避免使用外部匹配網絡，外部匹配網絡會增加插入損耗并因此降低 LNA 的 F 值。晶體管設計尺寸適中，其額定偏置電流設定使其輸入阻抗接近 50Ω。集成的有源偏置調節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 和最小數量的被動元器件（用于匹配和偏置，無法在芯片級集成），Avago 創建并測試了一個能在 900MHz（圖 2）下運行的蜂窩基站 LNA。元件值是根據單個設計模擬循環而選定的，且未通過工作臺調諧優化。（關于評估主板模擬和開發的完整討論參見 Avago 應用說明 AN-5457，MGA-633P8GaAs MMIC LNA 適用于具有行業最佳噪聲系數和線性的900MHz BTS 放大器。）即便如此，評估主板同樣證實了利用 MGA-63 系列設計的 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 設計。

其中之一是，展示板表明了由于輸入感應器 (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 規格的疊層感應器，而在其頂端使用的則是更大的空心感應器。無嚴格要求的輸入諧振器能夠實現低成本且緊湊的 LNA設計。

評估主板的印制電路板（圖 3）體現了設計的緊湊程度。電路板的尺寸為 21.5 x 18 x 1.4 毫米，包含一個基于 10 mils Rogers RO4350 （中等價位材料，具有適當的射頻性能，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。通過從邊緣發射 SMA 到微帶躍遷（Johnson零件編號 142-0701-856）來實現射頻連接，同時通過一個 2 引腳直線 PCB 頭來接通直流電。由于輸入諧振器無嚴格要求，可以使用 0402 規格的芯片將組件所占面積縮小至 8 x 10 毫米2。

圖 3. 整個 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，演示 LNA 實現 F ≈ 0.3dB，增益 (G) ≈18dB，并且輸入和輸出回波損耗（IRL 和 ORL）都更優于 -15dB（圖 4）。這些回波損耗都在大于 1GHz 的范圍內，表明輸入和輸出匹配都有廣泛的帶寬，這從系統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）來達到預期的輸入匹配。所設計的這種低輸入回波損耗 (IRL) 可以將許多應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元件的復雜性要求（以及成本）。

圖 4. 增益和回波損耗圖顯示了 LNA 匹配網絡的頻率不敏感性。

盡管 MGA-63x 系列的主要目標市場是窄頻帶蜂窩BST，但是評估主板所顯示的射頻性能（在 400MHz 到1400MHz 范圍內 F <0.4dB，R <-10dB）表明該設備還是適用于許多寬頻帶/多頻帶應用領域，例如有線/衛星電視分配設備、掃描儀、軍事設備和多服務無線電通信設備等。

評估主板的測試結果證實了 MGA-63x 有源偏置、超低噪音放大器系列為基站設計者提供了大量重要且有價值的特性。除了為蜂窩通信系統提供高線性和低噪音數據外，這些設備還為單級 LAN 設計提供了高增益，而充足的增益余量能減少信號路徑中對雙工濾波器的設計需求，有源偏置控制用于自適應功率/線性控制，固有的 50Ω 輸入阻抗能消除對匹配網絡的需求。其結果是操作更簡單、體積更小、功能更強大且成本更低的 LNA 設計。