实现无线电传输范围和可靠性的RF增益模块介绍

“无线电”这个术语现在意味着比过去更多。早期的无线电发射机只不过是振荡器，它只是通过幅度，频率或相位将信号信息调制到载波上。设计并使用了简单的单芯片或晶体管发射器和接收器，功率晶体管可以提供足够的功率以满足大多数需求。今天，普通人普遍使用多个RF收发器的个人移动设备是司空见惯的。

这些现代无线电具有很高的性能和可靠性。我们的无线链接必须工作以及有线链接。这意味着在我们的接收信号被仔细检查和解码的同时，许多在后台运行的子系统需要摆动。随着数字时代的到来，甚至模拟信号也以数字形式处理。数字系统，尤其是密集且具有多个时钟的数字系统，可能会产生噪声，增加高功率发射器也会降低对接收信号的敏感度。

其他要求，如跳频，扩频，协议前导码，CRC，ECC，ACK/NOACK，仅举几例，使简单的晶体管RF链路过时。因此，RF链路需要比以往更复杂的芯片。对于工程师来说，就像背着沉重的石头一样，每一代都会越来越重，因为增加了复杂性。

设计过程也经历了复杂程度的提高。多个地平面需要收敛。数字地平面可能充满开关噪声。模拟地平面应尽可能安静，因此传感器可以将可靠的电平传递到数据采集系统的敏感A/D级。 RF接地平面还应策略性地保护低电平无线电信号，同时保持一致的传输线阻抗。这在分层电源和地平面设计以及布局电路板时的功能划分方面提出了更多的思考。

本文介绍了可以从现代高端无线电芯片中获取预先形成的复杂RF信号的离散RF增益模块阶段并提升水平以实现更高的范围和可靠性。此外，虽然特定频段和协议的功率输出水平确实由政府机构决定，但如果我们想要充分利用我们允许传输的功率电平，增益模块可以实现这一点。

增益块的优点

现代数字无线电允许使用的增加的发射功率量是一种混合的祝福。由于采用扩频技术，与10 mW的发射功率相比，无线电可以发射高达1.5 W的发射功率，而较旧的窄带AM和FM发射机是允许的。这有利于增加范围和信号接收可靠性，但增加了对设计的更多功率要求，以及另一个可能噪声源由于对低电平信号的敏感性和不断增长的功能集成，只有太多功率复杂的无线电SoC可以处理。逆平方功率定律表明将天线移动到安静点可以降低数字系统的噪声，从而优化接收效果。因此，RF开关（参见TechZone文章“RF开关增加灵活性”）可以是用于将无线电信号从嘈杂的SoC引导到更优化的位置，并允许使用多个天线（图1）。对于传输信号，增益天线可以增加范围和功率输出，但增益模块可以将原始RF用于传输，并将其提升到更高的水平，以达到其符合标准所允许的最大功率。

图1：RF开关可以允许多个天线，以提高接收灵敏度和三角测量，以及更好的发射辐射模式。地平面的战略分离有助于保持模拟和射频部分的安静。注意模拟和数字地平面在微型AVss引脚上连接在一起。

将更高功率的发射器移动到电路板上的远程或外围位置有许多优点。差分信号可以通过电路板将低电平无线电信号干净地传递到边缘安装的PC板天线，外部天线连接器或两者。外围是用于传输（和接收）信号的畅通路径的最佳镜头，并且在选择外壳材料时允许更多控制，以便不会削弱性能。此外，冗余天线可用于改善发射覆盖范围，以及在多个平面上接收灵敏度。

各种应用的设计可利用增益模块，包括GSM，蜂窝，本地多点分配服务（LMDS） ），多通道多点分配服务（MMDS），CATV等。

已经出现了增益块，以解决通用和频段特定的需求。在这两种情况下，它们都采用低电平RF信号，并为具有非常特定特性的天线提供功率增益。一些制造商（如ADI公司）制造了一系列针对特定设计以及通用和宽带应用的增益模块。

ADI公司AD8353ACPZ-REEL7是一款基本输入/输出两级反馈放大器，结构紧凑8-VFDFN封装，带有裸露焊盘。它针对蜂窝，LMDS和MMDS设计。良好的1 MHz至2.7 GHz，它是一个相当宽的放大器，能够运行标准的3或5 V电源，并提供固定的20 dB增益。其紧凑的尺寸和简单的“直通”布局使其可以轻松放置在自己的地平面上（图2）。

图2：无源元件可用于在单端或差分配置中将单端输出耦合到天线。另一个类似的例子是Analog Devices ADL5530ACPZ-R7，它支持CDMA2000，W-CDMA，GSM和细胞。仔细观察，您会发现它从0 Hz到1 GHz都很好，非常适合928 MHz ISM频段设计，以及医疗植入物，工业控制等的低频段。更高频率仍然合理宽带ADL5542ACPZ-R7可处理50 MHz至6 GHz，并针对蜂窝和CATV设计。

ADI公司推出的新型ADL5610，ADL5611，ADL5544和ADL5545器件将宽频率范围扩展至30在保持高频6 GHz高端的同时达到MHz。它们的增益水平不同，都采用非常紧凑的SOT89-3封装。

Avago Technologies还生产一种带有MGA-30689-TR1G扁平增益高线性度SOT-89器件的RF增益模块芯片。它的工作频率范围为40 MHz至3 GHz，它包含了所有当前的2.4 GHz协议和标准，并采用了直通布局（图3）。它需要一个5 V单电源，在40 MHz至2.6 GHz范围内具有平坦的14 dB（±0.5 dB）增益响应。

图3：SOT封装也适用于良好的直通放大，与裸露焊盘VFDFN封装一样，提供与地平面的牢固连接。

Hittite也在这个舞台上播放并提供一些感兴趣的部分。例如，可比较的SOT-89宽带HMC311ST89E，从0 Hz到6 GHz都很好。其50Ω增益级可级联，以实现非标准调节设计的更高输出电平。如果使用达林顿输出对提供16 dB增益，与其他技术相比可显着降低电流消耗。

Hittite还提供2 x 2 mm的“超高”频率（0至10 GHz）增益模块GaAs pHEMT HMC788LP2E增益阻滞级。该器件还具有50Ω阻抗的级联功能，可直接驱动单平衡或双平衡混频器的本地振荡器端口，输出功率高达20 dBm。它还采用5 V电源和达林顿反馈对，在温度范围内具有出色的增益稳定性。

Hittite的增益模块评估板，标记为119394-HMC636ST89，可以使用直通外部连接器演示器件的性能（图4） ）。

图4：RF增益块评估单元演示了“理想的”地平面使用情况，以及使用外部连接器直接连接到天线或阻抗控制布线到目标的直通架构设计。这简化了原型设计和测试。

在接收端

有趣的是，增益块不仅用于发送器级，还可用于与接收链相关的目的。一个很好的例子是Linear Tech LTC6430BIUF-15PBF。该部分调节原始接收数据并针对超高速差分A/D转换器级进行优化（图5）。软件定义无线电（SDR）和直接DSP类型的解调方案（如正交频分复用（OFDM））的理想选择，该器件采用24引脚QFN封装，可直接耦合到外部A/D或微控制器的高性能A/D级。请注意，4 x 4 mm尺寸仍然相当小，可用于手持式和便携式设备（但功耗为800 mW）。

图5：RF增益模块对于接收部分，用于放大和调节低电平接收信号为全摆幅差分信号对，用于基于DSP解调的直接高速差分A/D转换器。

总之，本文讨论了为什么增益块是一项了解的好技术，并向您展示如何利用可用部件来实现最大传输范围，同时保持接收灵敏度。正如我们已经注意到的那样，RF增益模块进一步为工程师提供了更大的灵活性和自由度，可用于布置可容纳您设计的物理PC板。