低雜訊/高增益特性兼具　LNA克服WiMAX接收挑戰

對無線網路接收鏈的設計工程師而言，行動式全球微波存取互通介面(Mobile WiMAX)帶來了許多技術上的挑戰，由於行動中的接收器可能會由多種不同的傳輸路徑接收到訊號，因此設計工程師必須開發出一個能偵測經過較長傳輸路徑，同時受到路徑上遮蔽物影響造成衰減的微弱訊號，這就需要一個低雜訊且高增益的接收器。  

此外，當接近基地台時，接收器也必須忍受較強的輸入訊號、而不會造成接收器內後級電路發生過載情形，因此，接收器也須具備高線性度並擁有對輸入訊號進行衰減處理的能力。WiMAX資料接收時的高度動態特性，使具備多種增益狀態、高靈敏度與高線性度以涵蓋廣泛輸入訊號的接收器變得更重要。  

內建旁路開關提高WiMAX接收能力  

以下將以安華高(Avago)的MGA-645T6低雜訊放大器(LNA)為例，介紹透過內建旁路開關低雜訊放大器來解決行動WiMAX寬廣動態範圍問題的最佳化解決方案。MGA-645T6是一個內建旁路開關的砷化鎵(GaAs)低雜訊放大器，這款LNA採用厚度僅0.4毫米，且占用面積只有1.3毫米×2毫米的超薄型小型無接腳包裝，這款LNA可以透過改變控制接腳(接腳1/V_bypass)，讓放大器在放大模式或旁路模式間切換。在控制接腳上加入0～0.3伏特的電壓或將它保持在開路狀態會讓元件進入旁路模式，LNA的內部會自動匹配處理，因此由放大模式與旁路模式切換所造成的阻抗變化基本上可以被忽略，避免兩個模式切換時發生阻抗不匹配的情形，同時確保高效率的功率傳輸。  

圖1顯示了LNA的簡化內部電路以及如何加以偏壓讓元件效能在WiMAX頻帶取得最佳化的應用線路，圖2則顯示了功能展示電路板上的零件安排與布局，這款LNA所需的電路板空間相當小，因此非常適合空間相當關鍵的行動接收器應用場合。

資料來源：安華高 圖1　MGA-645T6的簡化內部電路與外部線路圖

資料來源：安華高 圖2　功能展示電路板上的零件安排

LNA以3伏特、7毫安培進行偏壓，使它相當適合各種低耗電的行動接收設備，透過這個偏壓條件，LNA可以在2.3G～2.5GHz頻帶提供超過15dB的增益以及大於10dB的輸入與輸出回返耗損，電路板上所測得的雜訊指數(Noise Figure, NF)低於1.1dB，輸入第三階交叉點(IIP3)則大於+7dBm。在旁路模式下，插入耗損大約在4.5dB，輸入與輸出回返耗損則大於10dB，旁路模式下的IIP3比+15dBm要高上許多，此外，旁路模式下的電流消耗也相當低，大約在毫安培級範圍，而這正是延長行動接收設備有限電池使用時間的關鍵特性。  

MGA-645T6的電流可以透過改變控制接腳上的電壓來加以調整，較高的控制電壓將提高元件的電流並些微地改善增益，如圖3所示。圖4則顯示MGA-645T6在放大與旁路模式下的射頻效能表現。

資料來源：安華高 圖3　增益與Idd相對於旁路電壓Vbypass間的關係

資料來源：安華高 圖4　LNA放大與旁路模式下的射頻效能表現

串接設計提供可變增益/靈敏度/線性度  

設計具備可變增益接收器的一個方式是串接兩個MGA-645T6，這兩個MGA-645T6都能在放大或旁路模式間切換來改變增益、靈敏度與線性度，圖5為在2.4GHz頻帶下採用MGA-645T6串接設計的簡化方塊圖。當輸入訊號微弱時，兩個MGA-645T6都切換到放大模式以取得高增益和較佳的靈敏度，處於放大模式的第一級LNA有助於維持良好的雜訊指數，這對偵測微弱輸入訊號很重要，而同樣採用放大模式的第二級LNA可進一步放大所接收到的微弱訊號。  

對於強度較高的接收訊號則不需要高增益，因此第一級LNA可以採用放大模式以便不影響到系統的雜訊指數，第二級LNA則可以切換到旁路模式來改善整體的線性度並降低系統的電流消耗，將它與以上第一個例子比較，這樣的組合方式雖然整體增益較低，但卻具有較高的整體線性度、較低的電流消耗以及相同的雜訊指數，較低的增益可以讓設計工程師為後級電路設定較低的線性化要求，能夠有效節省接收器設計的整體成本，原因是高線性度的元件通常價格較高，同時耗電也較大。  

當然，這兩個電路級也可在接收器接近基地台時都切換到旁路模式，這樣的組合可以對較強的接收訊號進行衰減，避免接收器的後級電路發生過載，較強的訊號可能會造成接收器的後級電路進入飽和狀態，產生非線性化訊號輸出並影響接收資料的精確度。  

表1顯示了串接式設計的系統分析，這個分析中所採用的參數以圖5中的參數為基礎，分析內容在兩個LNA外還包含了頻帶選擇以及鏡像拒斥濾波器，整體的雜訊指數效能表現可以透過加入具備更低插入耗損(Insertion Loss, IL)的頻帶選擇濾波器進一步加以提升。

◎表1　串接兩級內建旁路開關LNA的系統分析
			系統分析
			Idd	NF	Gain	IIP3
	LNA 1	LNA 2	mA	dB	dB	dBm
Mode A	ON	ON	14	2.74	26	-4.24
Mode B	ON	BYPASS	7	3.01	6.5	3.4
Mode C	BYPASS	ON	7	9.6	6.5	13.38
Mode D	BYPASS	BYPASS	<160 μA	13	-13	16.71

資料來源：作者整理  

資料來源：安華高 圖5　WiMAX接收器的射頻前端

切換時間是WiMAX接收鏈，特別是分時雙工(Time Division Duplex, TDD)系統的重要要求，快速的切換時間可確保高效率且高可靠度的資料傳輸，MGA-645T6可達到小於0.5微秒(μs)的導通與關閉時間(圖6～8)。以下將提供MGA-645T6切換時間的相關資訊以及用來測量切換時間的方法。切換時間透過在射頻輸入端加入-25dBm的2.4GHz CW訊號，以及在元件的V_bypass控制接腳加上0伏特(旁路模式)或1.8伏特(LNA模式)來進行測量，並利用週期為100微秒的0～+3伏特變化方波來進行元件工作模式的切換，其中+3伏特將元件切換為LNA/旁路模式，0伏特則將元件切換為關閉模式，在測量切換時間時，圖1中的R1與C2會加以移除。

資料來源：安華高 圖6　MGA-645T6的導通時間(由關閉模式切換到LAN/旁路模式)

資料來源：安華高 圖7　MGA-645T6的關閉時間(由LAN/旁路模式切換到關閉模式)

資料來源：安華高 圖8　MGA-645T6 LNA導通與關閉時間的測量設置安排

高品質的資料接收能力是行動WiMAX服務推出與是否受到持續採用的重要成功關鍵，採用兩個內建旁路開關MGA-645T6的串接式設計帶來了能有效克服WiMAX接收器寬廣動態範圍挑戰的簡單解決方案，這個設計可偵測通過各種不同傳輸路徑的訊號，將LNA切換到放大或旁路模式讓接收器能夠依照輸入訊號的功率大小調整所需的射頻效能表現，透過將射頻接收器電路方塊間的匹配加以最佳化，這個設計將可以確保行動WiMAX系統資料的可靠接收。  

(本文作者任職於安華高)