射頻/微波通信中的低噪聲放大器和功率放大器作用分析

對(duì)射頻/微波通信應(yīng)以而言，放大器主要完成兩大任務(wù)，一是增強(qiáng)接收機(jī)的低電平信號(hào)，一是提升發(fā)射機(jī)的高電平輸出信號(hào)。雖然它們的功能、尺寸和功率要求不盡相同，但這兩種放大器都受益于晶體管技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)。

根據(jù)輸出要求的不同，放大器種類十分廣泛，可以從微型芯片到帶數(shù)字接口的完整子系統(tǒng)。一般來說，更高集成度，比如將放大器和其它收發(fā)器件一起嵌入在芯片上，仍然受到小信號(hào)設(shè)計(jì)的歡迎。而大多數(shù)大信號(hào)放大器或功率放大器仍采用分立晶體管和分立匹配器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。功率晶體管的體積本身就要比低噪聲或小信號(hào)晶體管大。它們比低噪聲晶體管散發(fā)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(shù)量級(jí)，而LNA只需要毫安級(jí)的電流。

微波低噪聲設(shè)計(jì)和功率放大器設(shè)計(jì)曾經(jīng)都由GaAs場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）主導(dǎo)。但其它晶體管架構(gòu)的不斷推出，如GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 （HBT）和高電子遷移率晶體管（HEMT），給高頻LNA放大器設(shè)計(jì)師提供了替代傳統(tǒng)高頻硅雙極晶體管和GaAs FET的可能。對(duì)于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，硅橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（LDMOS）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）晶體管具有很高的功率密度。

許多供應(yīng)商同時(shí)提供LNA和功率放大器，而一些供應(yīng)商可能只專做其中的一種。大多數(shù)公司可以讓用戶選擇特定帶寬或?qū)拵У姆糯笃鳎@種寬帶放大器可以用于不同的應(yīng)用。例如， Microwave Solutions公司同時(shí)提供特定頻帶內(nèi)的功率放大器和LNA。該公司的MSH-5617902的功率放大器用于從5.9GHz至*GHz的C波段應(yīng)用，其1dB壓縮點(diǎn)輸出功率為+40dBm，三階截取點(diǎn)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(duì)低噪聲設(shè)計(jì)，但它能實(shí)現(xiàn)難得的8dB噪聲系數(shù)。

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

CTT公司的LNA采用了GaAs PHEMT技術(shù)，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(gè)放大器的噪聲系數(shù)是1dB，工作頻帶為0.5GHz至2.0GHz。

Hittite Microwave公司推出了芯片型和封裝好的LNA，如HMC617LP3。這個(gè)LNA采用QFN封裝，尺寸只有3x3mm。該LNA采用GaAs PHEMT半導(dǎo)體技術(shù)制造，工作頻帶為550MHz至1200MHz，具有0.5dB的低噪聲系數(shù)和16dB的增益。

ADI公司的ADL5521 LNA同樣采用GaAs PHEMT技術(shù)制造，工作頻帶為0.4GHz至4.0GHz，并采用了3x3mm LFCSP封裝。該器件在900MHz時(shí)的噪聲系數(shù)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(hào)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頻率下的噪聲系數(shù)僅為0.55dB，增益為18dB，輸出功率+16.5dBm，非常適用于 GSM接收機(jī)。

Centellax公司的UA1L30VM放大器模塊是針對(duì)原始信號(hào)帶寬開發(fā)的產(chǎn)品，在0.01GHz至30.00GHz范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)30dB 的典型增益，噪聲系數(shù)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范圍內(nèi)最小增益為22dB。

雖然LNA傾向于采用表面貼封裝和緊湊的同軸封裝，但功率放大器最初采用的是同軸模塊，最大的需要用19英寸機(jī)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(shù)，在200MHz至1，000MHz范圍內(nèi)可輸出特別高的射頻功率。它能產(chǎn)生1，000W 的飽和輸出功率，重達(dá)130公斤，在19英寸機(jī)架中占18個(gè)單元位置。

Microwave Power公司專門針對(duì)熱管理和集成應(yīng)用開發(fā)專有電路。該公司根據(jù)在陶瓷基底上應(yīng)用單片集成電路制造技術(shù)的方法，制造出的放大器可工作于1GHz至40GHz頻帶，飽和輸出功率可達(dá)+57.5dBm，噪聲系數(shù)為12dB。

在功率和集成度方面，Ophir RF公司最近推出了型號(hào)為7000的放大器系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了4個(gè)獨(dú)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(gè)較低頻率的通道提供100W的典型飽和輸出功率，另一個(gè)微波通道提供50W的典型飽和功率。這個(gè)靠風(fēng)扇冷卻的系統(tǒng)體積為19x8.75x26英寸，重量是95磅。

雖然越來越多的晶體管級(jí)射頻/微波放大器供應(yīng)商正在提供行波管放大器（TWTA）的固態(tài)“替代”品，但TWTA遠(yuǎn)未過時(shí)。AR Worldwide公司為系統(tǒng)和測(cè)試應(yīng)用提供種類廣泛的固態(tài)和TWTA放大器。比如型號(hào)為2000T8G18的放大器，它能在7.5GHz至 18.0GHz范圍內(nèi)輸出2，000W的CW功率。這個(gè)大功率放大器重量達(dá)2，600磅（1，182kg）。TMD公司稍微有些復(fù)雜的PTC*2 TWTA可以在7.5GHz至18.0GHz范圍內(nèi)產(chǎn)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(hào)和Ku波段XTRD-1250KL型號(hào)TWTA分別工作在5.85GHz至*25GHz和13.75GHz至14.50GHz衛(wèi)星通信上行鏈路頻段，占6個(gè)機(jī)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。