LTE LNA改善4G智能手机接收灵敏度分析

2014年注定是中国LTE特别是TD-LTE 突飞猛进的一年，截止2014年5月，已完成工信部入网的TD-LTE终端累计达265款，其中智能手机占204款，移动版（TD-LTE）有133款。 另外，2014年的移动集总采购正在紧锣密鼓的进行中，国内各大主流手机终端供应商或设计公司均已充分投入到这场浩浩荡荡的LTE终端博“机”大赛中。
　　相对于3G手机，LTE手机（4G手机）必须明显地提高自己的数据吞吐能力，通俗地说，就是要让终端客户明显感受到上网迅速、连接稳定、播放视频流畅、下载 速度快等应用优点。所以，为了提高上下行的数据速率，相对于3G手机，LTE终端对于分集天线——也就是通常所说的副天线的接收性能会有较高的期望和要 求，而对于3G手机，一般不一定必须要有分集天线，即使有分集天线，对于其接收性能也并没有硬性要求，通常就连平台芯片供应商在参考设计中也不会对3G终 端的分集天线性能做过多的要求。然而，对于LTE手机，分集信道的接收性能和主信道的差异不宜过大，也就是平衡度要能在3dB以内，这样整个终端的上下行 吞吐能力才不会为过差的分集信道所拖累，从而能带给终端客户高速的上网体验，凸显4G通信的高速数据业务支持的优势。
　　而要想保证手机终端的主分集 不平衡度控制在3dB左右，通常必须通过使用外部LNA的途径来解决该问题。为此，英飞凌推出的新一代LTE LNA—BGA7X1N6系列，多方考虑了LTE LNA所需要的低噪声、高线性和超小尺寸，并兼顾了诸多主流厂商和平台芯片厂商的诉求。该系列自2014年Q1正式发布以来，市场反响较好，一些国内外知 名厂商最新发布的LTE智能手机或终端中均能发现BGA7x1N6系列LTE LNA的身影。
　　下面就来具体了解一下使用LTE LNA是如何能明显改善分集天线支路接收性能的。首先从系统级来分析在使用和不使用LTE LNA时，整个射频接收前端（RFFE）所表达出来的系统级噪声系数的差别，显然，由图1可以很清楚地看到对于分集通路，该系统级噪声系数的差别约为 3.4dB， 这意味着RFIC的输入信噪比能被改善3.4dB，当然由于方案1在LTE LNA前采用了更低插损的声表滤波器（SAW filter），方案2中使用原有声表滤波器则改善仍可高达2.7dB，通常3dB的信噪比改善意味着同等环境条件下的通信距离能实现40%的增长。
　　当然，对于数据终端，人们更关心所能传输的数据速率峰值，下面就来分析一下，数据速率到底会有怎么样的改善。
　　
　　图1：使用LTE LNA能改善明显降低整个RFFE系统的噪声系数
　　
　　图2：使用和未使用英飞凌LTE LNA的RFFE系统模拟板噪声系数和系统增益实测结果
　　有 了3dB信噪比改善到底能带来什么样程度的数据速率的提升呢？为了更好地分析这一点，利用通信原理的香农公式可以看出，在信道带宽一定时，信噪比直接决定 该信道的信道容量（数据速率），而在输入信噪比为定值时，系统噪声系数直接决定整个RFFE系统的输出信噪比，从而决定数据速率。
　　回到图1所分析的分集通路的情况，可以看到使用LTE LNA对于数据速率的改善如图3。显而易见，在通常急需要改善的输入信噪比介于5~10dB的场合，使用LTE LNA可实现高达约50%以上（79%@输入信噪比=5dB）数据速率提升。
　　
　　图3：使用LTE LNA对接收信道的数据速率改善明显
　　为了配合4G LTE市场的兴起，英飞凌所推出的一系列LTE LNA产品，其中最有代表性的是BGA7x1N6系列，产品的大致规格包括：
　　a） BGA7x1N6使用业界领先的Flipchip封装技术，仅1.1x0.7mm2；
　　b） BGA7x1N6的噪声系数低至0.6dB，明显抑制系统噪声；
　　c） BGA7x1N6的Gain=13dB，IIP3高达+3dBm，采用SiGe工艺；
　　d） BGA7x1N6系统应用电路覆盖0.7~2.7GHz所有LTE频段，设计高效完备。
　　在BGA7x1N6的基础上，英飞凌还推出了BGM7xxxxL12系列，有多种频段组合方式供客户选择，同样基于高上大的Flipchip封装技 术，BGM7xxxxL12系列的尺寸仅为1.9 x 1.1 mm2，所以当客户有更加严格的PCB版面要求时，图4中的BGA7x1N6系列的应用实例也可以用1颗BGM7xxxxL12来代替，节省的PCB版面 也是非常可观的。
　　
　　图4：FDD系统中LTE LNA系列应用实例
　　英飞凌BGA7x1N6在2014年初已量产，目前市场反响良好。此外，作为LTE LNA的领导者，英飞凌在中国国内配备有完善的专业技术支持团队，帮助客户从系统级去解决LTE LNA在具体应用中所遇到的问题和困难。另外，英飞凌的BGA7x1N6系列LTE LNA采用SiGe工艺，并以稳定的产能和卓越的质量控制体系为使用其产品的手机制造商注入了更多的市场竞争力。
　　综上所述， 通过LTE LNA可为LTE智能终端（手机）保驾护航，消费者将真正感受到LTE网络前所未有的极速体验。在LTE智能手机的设计中除了LTE LNA能极大地改善用户体验外，还有其它一些新颖的技术也值得关注，如在使用金属外壳天线时需要用到天线交叉技术，而越来越多的LTE 频段的覆盖也需要用到天线调谐技术，英飞凌除了在LTE LNA方面的创新开发之外，同样在射频开关特别是交叉开关和天线调谐专用开关方面也得到了广大客户的认可。