在使用SDR设备中LNA和PA它是两个常见的部件，下面详细介绍了两者的概念和区别。
对性能、小型化和更高频率的需求正在挑战无线系统中两个关键天线连接元件的限制：功率放大器(PA) 低噪声放大器(LNA)。5G的发展以及PA 和LNA 微波无线电链路，VSAT(卫星通信系统)和相控阵雷达系统的使用正在推动这种转变。这些应用的要求包括低噪声(对于LNA）和高能效(对PA）高达或高于10 GHz 高频运行。为了满足这些日益增长的需求，LNA 和PA 制造商正在从传统的全硅工艺转向LNA 的砷化镓(GaAs) 和用于PA 的氮化镓(GaN)。
本文将介绍LNA 和PA 介绍典型的功能、要求及其主要特征GaAs 和GaN 使用这些设备设计设备和注意事项。
LNA 它的作用是从天线上获得极其微弱的不确定信号，通常是微伏数量级信号或低于-100 dBm，然后将信号放大到更有用的水平，通常约为0.5 到1 V(图1)。具体来说，在50 Ω 系统中10 μV 为-87 dBm，100 μV 等于-67 dBm。
利用现代电子技术可以轻松实现这样的增益，但LNA 将各种噪声添加到微弱的输入信号中，问题将远不是那么简单。LNA 在这种噪声中，放大优势将完全消失。
图1：接收路径的低噪声放大器(LNA) 功率放大器和发送路径(PA) 经由双工器连接到天线，双工器分开两个信号，并防止相对强大的PA 输出使灵敏LNA 输入过载。(图片来源:Digi-Key Electronics）
注意，LNA 在一个未知的世界里工作。作为收发器通道的前端，LNA 必须能够捕捉和放大相关带宽中功耗极低的低压信号和天线引起的相关随机噪声。在信号理论中，这种情况被称为未知信号/未知噪声问题，是所有信号处理问题中最困难的部分。
LNA 噪声系数的主要参数是噪声系数(NF)、增益和线性度。噪声来自热源等噪声源，噪声系数的典型值为0.5 - 1.5 dB。单级放大器的典型增益是10 - 20 dB 之间。有些设计采用低增益和低增益NF 这种设计可能会达到更高的增益级联放大器NF，然而，一旦初始信号增加，就不那么重要了。（有关LNA、请参考噪声和射频接收器的详细信息TechZone 低噪声放大器可以最大限度地提高接收器的灵敏度。）
LNA 的另一个问题是非线性度，因为合成谐波和互调失真可使接收到的信号质量恶化，在位误差率(BER) 当信号解调和解码相当低时，就变得更加困难。通常使用三阶交调点(IP3) 三阶非线性项引起的非线性乘积作为线性度的特征参数，与线性放大信号相关联；IP3 放大器的线性度越高。
功耗和能效LNA 通常不是主要问题。就本质而言，绝大多数LNA 功耗相当低，电流消耗10 - 100 mA 它们之间的设备向下一级提供电压增益，但不向负载输送功率。另外，系统只使用一两个LNA(后者常用于Wi-Fi 和5G 在等接口的多功能天线设计中)LNA 节能意义不大。
除工作频率和带宽外，各种LNA 功能相对相似。LNA 它还具有增益控制功能，因此处理输入信号的宽动态范围，而不会过载或饱和。在基站到手机通道的移动应用中，即使是单连接循环，也经常会遇到输入信号强度变化范围如此之宽的情况。
输入信号到LNA 其输出信号和元件本身的规格一样重要。因此，设计师必须使用复杂的建模和布局工具来实现LNA 所有潜在性能。由于布局或阻抗匹配不良，高质量部件可能容易劣化，因此有必要使用供应商提供的史密斯圆图（见史密斯圆图：射频设计中仍然至关重要的‘古老’图形工具），以及支持模拟和分析软件的可靠电路模型。
几乎所有这些原因都在GHz 工作范围内的高性能LNA 由于测试设置的各个方面都非常重要，包括布局、连接器、接地、旁路和电源，供应商将提供评估板或验证的印刷电路板布局。没有这些资源，设计师需要浪费时间来评估组件在其应用中的性能。
基于GaAs 的LNA 一个代表是HMC519LC4TR。这是一种来源Analog Devices 的18 到31 GHz pHEMT(假晶高电子迁移率晶体管)装置(图2)。这种无引线4×4 mm 陶瓷表面贴装包装提供14 dB 小信号增益，3.5 dB 的低噪声系数和 23 dBm 的高IP3。该装置可单独使用 3 V 电源提取75 mA 电流。
图2：HMC519LC4TR GaAs LNA 为18 至31 GHz 低电平输入提供低噪声增益；电源轨封装连接用于电源轨、接地或不使用。(图片来源:Analog Devices）
从简单的功能框图到不同值和类型的多个外部电容器都需要一个设计过程，提供适当的射频旁路，具有三个电源轨道馈电的低寄生效应，指定为Vdd（图3）。
图3：在实际应用中，HMC519LC4TR LNA 在其电源轨上需要多个额定电压相同的旁路电容器，以提供用于低频滤波的大电容以及用于射频旁路的较小值电容，从而最大程度地减少射频寄生效应。（图片来源：Analog Devices）
根据此增强原理图生成评估板，详细说明布局和BOM，包括非FR4 使用印刷电路板材料(图4(a) 和4(b)）。
图4(a)
图4(b)
图4：考虑到这些LNA 详细和测试的评估设计对于前端工作的高频率和必须捕获的低电平信号至关重要。包括原理图（未显示）和电路板布局(a) 和BOM，无源部件和印刷电路板材料(b) 细节。(图片来源:Analog Devices）
MACOM MAAL-011111 用于更高频率GaAs LNA，可支持22 至38 GHz 运行(图5) dB 小信号增益和2.5 dB 噪声系数LNA 从表面上看，它是一个单级设备，但实际上有三个级联。第一级优化了最低噪声和中等增益，并在后续级别提供额外增益。
图5：对用户而言，MAAL-011111 LNA 表面上是单级放大器，但内部使用了一系列增益级，旨在最大限度地输入输出信号路径SNR，同时在输出端增加显著增益。(图片来源:MACOM）
与Analog Devices 的LNA 类似，MAAL-011111 只需要低压电源，尺寸只有3×3 mm，极为小巧。用户可以将偏置(电源)电压设置为3.0 和3.6 V 调整和权衡某些性能规格之间的不同值。建议保持适当的阻抗匹配和地平面性能所需的关键印刷电路板铜皮尺寸(图6)。
图6:充分利用建议布局MACOM 的MAAL-011111提供输入输出阻抗匹配。注意印刷电路板铜皮(尺寸为mm)用于阻抗控制传输线和低阻抗地平面。(图片来源:MACOM）
与LNA 相反，困难的信号捕获挑战，PA 它从电路中获得相对较强的信号，具有较高的信号SNR，必须用来提高信号功率。所有与信号相关的通用系数都已知，如振幅值、调制、波形、空比等。这是信号处理图中的已知信号/已知噪声象限，最容易处理。
PA 相关频率下的功率输出是主要参数，其典型增益是 10 至 30 dB 之间。能效是PA 另一个关键参数仅次于增益，但使用模型、调制、空比、允许失真和驱动信号的其他方面将使任何能效评估复杂。PA 的能效在30 到80% 但这在很大程度上是由多种因素决定的。线性度也是PA 关键参数，在LNA 一样用IP3 值判定。
尽管许多PA 采用低功耗CMOS 技术(最高约1 至5 W），然而，近年来，其他技术行业已经发展成熟并得到了广泛的应用其是在考虑将能效作为电池寿命和散热关键指标的更高功率水平时。使用氮化镓需要几个瓦特或更高的功率(GaN) 的PA 在更高的功率和频率(典型值为1) GHz）能效更好。特别是考虑到能效和功率耗散，GaN PA 极具成本竞争力。
Cree/Wolfspeed CGHV14800F（1200 到1400 MHz，800 W 设备)是基于最新的GaN 的PA 代表。这种HEMT PA 脉冲的能效、增益和带宽组合L 优化了波段雷达放大器，使设计师能够控制空气流量(ATC)、在天气、反导和目标跟踪系统等应用中发现了许多用途。使用50 V 提供50%的电源 以及更高的典型能量转换效率和10 ×20 mm 金属法兰(图7)用于冷却陶瓷封装。
图7：CGHV14800F 1200 至1400 MHz，800 W，GaN PA 10有金属法兰 ×20 mm 陶瓷包装必须同时满足射频和散热的困难要求。考虑到机械和热完整性，在安装法兰时注意将包装拧紧（不焊接）到印刷电路板。（图片来源：Cree/Wolfspeed）
CGHV14800F 采用50 V 通常提供14 dB 功率增益、能量转换效率> 65%。与LNA 同样，评估电路和参考设计也很重要(图8)。
图8：除了器件本身之外，为CGHV14800F PA 提供的演示电路需要的元器件非常少，但物理布局和散热考虑很关键；考虑安装完整性和热目标，PA 通过封装法兰以螺钉和螺母（在底部，不可见）固定到板上。（图片来源：Cree/Wolfspeed）
许多规格表和性能曲线中同样重要的是功率耗散降额曲线（图9）。该曲线显示了可用的功率输出额定值与外壳温度的关系，指示最大允许功率是恒定的115°C，然后线性减小到150°C 的最大额定值。
图9：由于其在输送功率方面的作用，需要PA 降额曲线向设计人员显示允许输出功率随着外壳温度的升高而降低。这里，额定功率在115⁰C 之后迅速下降。（图片来源：Cree/Wolfspeed）
MACOM 还提供了基于GaN 的PA，例如NPT1007 GaN 晶体管（图10）。其直流至1200 MHz 的频率跨度适用于宽带和窄带射频应用。该器件通常以14 到28 V 之间的单电源工作，可在900 MHz 提供18 dB 的小信号增益。该设计旨在耐受10:1 SWR（驻波比）不匹配，且不会发生器件退化。
图10：MACOM 的NPT1007 GaN PA 跨越直流到1200 MHz 的范围，适用于宽带和窄带射频应用。设计人员通过各种负载拉伸图获得额外支持。（图片来源：MACOM）
除了显示500、900和1200 MHz 时性能基础的图外，NPT1007 还支持各种“负载拉伸”图，为努力确保稳定产品（图11）的电路和系统设计人员提供帮助。负载拉伸测试使用成对信号源和信号分析仪（频谱分析仪、功率计或矢量接收器）完成。
该测试要求看到被测设备(DUT) 的阻抗变化，以评估PA 的性能（包括诸如输出功率、增益和能效等因素），因为所有相关的元器件值可能由于温度变化或由于围绕其标称值的公差带内的变化而改变。
图11：NPT1007 PA 的负载拉伸图超出了最小/最大/典型规格标准表，以在其负载阻抗偏离其标称值（初始生产公差以及热漂移会导致实际使用中出现这种情况）时显示PA 性能。（图片来源：MACOM）
无论使用哪种PA 工艺，器件的输出阻抗均必须由供应商进行充分特征化，使设计人员能将该器件与天线正确匹配，实现最大的功率传输并尽可能保持SWR 一致。匹配电路主要由电容器和电感器构成，并且可实现为分立器件，或者制造为印刷电路板甚至产品封装的一部分。其设计还必须维持PA 功率水平。再次重申，史密斯圆图等工具的使用，是理解并进行必要的阻抗匹配的关键。
鉴于PA 较小的芯片尺寸和较高的功率水平，封装对PA 来讲是一个关键问题。如前所述，许多PA 通过宽的散热封装引线和法兰支撑以及封装下的散热片散热，作为到印刷电路板铜皮的路径。在较高功率水平（约高于5 至10 W），PA 可以有铜帽，使散热器可以安装在顶部，并且可能需要风扇或其它先进的冷却技术。
GaN PA 相关的额定功率和小尺寸意味着对热环境建模至关重要。当然，将PA 本身保持在允许的情况或结温范围内是不够的。从PA 散去的热量不能给电路和系统其它部分带来问题。必须考虑处理和解决整个热路径。
从智能手机到VSAT 端子和相控阵雷达系统等基于射频的系统正在推动LNA 和PA 性能的极限。这使得器件制造商不再局限于硅，而是探索GaAs 和GaN 以提供所需的性能。
这些新的工艺技术为设计人员提供了带宽更宽、封装更小、能效更高的器件。不过，设计人员需要了解LNA 和PA 运行的基础知识，才能有效地应用这些新技术。
作者：Bill Schweber 转自：微波射频网 版权归原作者所有
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