MMIC器件在無線收發信機中的應用

雷雨

【摘要】文中根據時分雙工無線收發信機的框圖介紹了放大器、混頻器、衰減器和開關等MMIC器件在射頻設計中的應用，著重介紹了MMIC放大器，在介紹各種MMIC器件時分別給出了幾種器件型號。

【關鍵詞】MMIC；收發信機；射頻器件

單片微波集成電路（MMIC）是利用半導體生產技術，將電路中所有的有源元件（如雙極型晶體等、場效應晶體管等）和元源文件（如電阻、電容、電感等）都制作在同一塊半導體襯底上的微波電路。MMIC器件有使用簡單、電性能指標好、可靠性高、壽命長、體積小、重量輕、一致性好、成本低等諸多優點，在當今的射頻、微波電路設計中應用越來越多。

MMIC器件的種類很多，根據其應用范圍可以分為通用功能級和專用系統級器件。通用功能級MMIC指那些能夠完成某種特定功能的器件，例如放大器、混頻器、振蕩器、衰減器、移相器、開關等器件。專用系統級MMIC指那些多個單功能電路集成到一塊芯片上以完成某特定分系統功能的電路組件，例如GPS接收機的公用移動通信手機的專用MMIC等。

本文主要介紹圖1所示的時分雙工收發信機模擬部分框圖使用的一些通用功能級MMIC器件（如放大器、混頻器、衰減器、開關等）。

一、MMIC放大器

圖1所示的LNA（低噪聲放大器）、PA（功率放大器）、A（通用放大器）和VGA（可變增益放大器）都可以采用MMIC器件來實現。

現在一些MMIC低噪放只需要簡單的偏置電路而無需輸入匹配即可實現噪聲系數低于2dB。例如Agilent公司的INA～02184，帶寬為800MHz，在500MHz頻點噪聲系數為2dB，輸入駐波比為1.5：1，增益為31dB。STANFORD公司的SLN～286，在100MHz一1500MHz頻帶內達到1.7dB的噪聲系數，輸入駐波比為1.7：1，增益可達22dB。M/A COM公司的AM50～0003，工作頻帶800—1000MHz，在900MHz處僅需要兩個外部匹配元件（在輸入端串聯一電感，對地并聯一電阻）即可獲得1.2dB的噪聲系數。

雖然目前常見的MMIC功放器件輸出功率并不太高，但用于無線通信終端設備中的未經功放或者基站設備的功放的激勵放大器都是可以的。中等功率的PA輸出ldB壓縮點為23dBm左右。例如STANFORD的SXA289，工作頻帶為5～2000MHz，增益在850MHz和1960MHz分別為20dB和15dB，輸出ldB壓縮點可達24dBm。高功率的PA輸出ldB壓縮點可達30dBm左右。例如STANFORD的SPA～1118工作頻帶為810～960MHz，增益為17dB，輸出功率ldB壓縮點可達29.5dBm，Mini～Circuits公司的HELA～10B工作頻帶為50～1000MHz，增益12dB，輸出功率ldB壓縮點典型值可達30dBm。

通用寬帶MMIC放大器種類更多，例如Agilent的MSA系列、MGA系列放大器，STANFORD的SGA系列，Mini～Circuits的ERA系列、MAR系列等等，我們可以根據應用特點選擇合適設計的最優組合。在選擇使用通過MMIC放大器時可以考慮以下幾點，一是選擇工作頻帶不必太寬，只要滿足收發信機工作的頻帶即可，這樣一些雜散信號可以通過放大器本身的工作帶寬得到抑制；二是放大器的輸出功率ldB壓縮點不必太高，有些收發信機對于射頻模擬鏈路的線性要求較高，但留出適當的設計裕量即可（因為一般MMIC放大器的輸出功率ldB壓縮點和OIP3是相關的），過多的裕量對于鏈路線性并沒有太明顯的改善，而一般來說器件的輸出功率ldB壓縮點或者OIP3和MMIC放大器的功耗成正比，因此在有耗電要求的場合這一點尤其重要；三是由于各種MMIC放大器的生產工藝不同，而且各廠家的設計原理、設計思路不同，所以性能指標類似的器件耗電也不太一樣，因此最好選擇耗電少的器件；四是為了增加供貨的可靠性和降低設計風險，盡量采用器件封裝相同、偏置電路拓撲結構兼容的器件；五是設計應用中要考慮到手冊中器件的性能指標都是在它所標注的典型靜態工作點下測得的，而靜態工作點不同，對器件的性能會有些影響。

某些MMIC放大器在改變靜態工作點時增益可能會發生變化，例如Agilent的INA系列可以得到10dB以內的增益變化。這種方法可以應用于整條鏈路增益的微調，但不適合做自動增益控制用。因此器件廠商專門設計生產增益動態范圍很大的MMIC可變增益放大器。例如Agilent的IVA～05208，工作頻帶為DC_I.5GHz，增益變化動態范圍為30dB，控制電壓5v，控制電流消耗低于3mA。RFMD公司的RF2627，工作頻帶為12—285MHz，增益動態范圍高達90dB，控制電壓為3v，增益控制端阻抗為30kΩ。可變增益放大器的MMIC器件多數為差分輸入、輸出方式，因此在使用中要考慮單端到差分和差分到單端的變換。

MMIC放大器都是有源器件，都需要偏置電源，根據偏置電路的不同，MMIC放大器又可以分為電流偏置放大器和電壓偏置放大器。當前市場上多數MMIC放大器為電流偏置的放大器，例如Mini～Circuits的ERA系列、MAR系列，STANFORD的SGA系列，Agilent的MSA系列、INA系列等，這些器件理想條件下需要電流源偏置供電，但在實際應用中常采用由一穩壓塊輸出再串一電阻給放大器供電，這種偏置電路如圖2所示。對于電流偏置型MMIC放大器，隨著溫度的變化其偏置電壓Vd會有一定幅度的變化，而電阻Rc和電壓vc（集成穩壓電路提供）基本保持不變，這樣偏置電流Id就會發生變化，而偏置電路中的電阻Rc的作用就是減弱這種變化，因此Rc又稱為鎮流電阻。根據上面的分析，Rc阻值越大，電流Id越穩定，但同時需要的電源電壓Vc也越高，Rc上的功耗也越大，因此折中考慮，一般電阻Rc上的壓降設計為2～4V。電壓偏置MMIC放大器其實就是放大器內部集成了鎮流電阻Rc，這樣，放大器的偏置電路就更簡單了，對于供電和射頻輸出共用一個引腳的電壓偏置MMIC放大器，只需要在供電引腳和偏置電壓間加一高頻扼流圈和并聯一去耦電容即可，例如Agilent的MGA～82563。

二、MMIC混頻器

純粹的MMIC混頻器無需直流偏置電源，這些MMIC混頻器中有的是利用FET管做混頻元件，例如M/A COM公司的MD54～0003、MD54～0004和HITTITE公司的HMC216MS8、HMC296MS8等；有的是利用肖特基二極管做混頻元件，例如HITHTE的HMC207S8、HMC350MS8等。

有的混頻器需提供直流偏置電源，因為這種混頻器內部集成了本振緩沖放器甚至還集成了中頻放大器，這些放大器需要直流偏置電源。H1TFlTE的HMC423MS8就是內部集成了本振放大器的MMIC混頻器，中頻和射頻端口的應用無需注意信號的流向，既可以做下彎頻器又可以做上變頻器。但是HITHTE的HMC420QSl6和M/A COM的MD59～001等混頻器由于內部不僅集成了本振放大器還集成了中頻放大器，因此使用時就需要注意中頻端口的信號有方向性的限制，不能夠做上變頻器應用了。

三、MMIC衰減器

MMIC衰減器有壓控衰減器和數控衰減器兩種。HTTITE的HMCl21C8、M/A COM的AT～108都是壓控衰減器，可以實現衰減量無級調整，適合衰減量自動調整的閉環系統里應用。而數字衰減器適合于衰減量開環調數的場合中應用。目前位數最多的MMIC數控衰減器為M/A COM的AT90系列，控制位數為6位，其中AT90～1107為步進0.5dB，總衰減量為31.5dB；AT90～1106步進為1Db，總衰減量為50Db。而且AT90系列數控衰減器內部集成了控制信號驅動電路，所以用TTL信號即可完成控制，使用起來非常方便。圖1所示發生鏈路中的衰減器最好采用數控衰減器。

四、MMIC開關

MMIC開關內部對于斷開路徑的處理有吸收式和反射式兩種方式。吸收式MMIC開關不僅可以提高隔度，同時可以大大降低斷開路徑射頻信號反射的影響。對于圖1中的開關，當開關接通天線端口和接收鏈路的時候，如果采用反射式開關，則發射蓮路則會嚴重影響PA的正常工作、大大降低PA使用壽命甚至直接燒毀PA。所以要選擇吸收式MMIC開關。由于MMIC器件承受功率不能太高，所以設計時一定要考慮器件的承受功率。在輸出功率不是非常高的無線通信系統的終端設備設計中，在PA后面的開關有多種MMIC器件可供選擇。例如M/A COM的SW226在0.5～4GHz工作頻帶可輸入功率ldB壓縮點高達33dBm，而且是內部有50Ω電阻。Mini～Circuits的高隔離度吸收式單刀雙擲開關輸入功率ldB壓縮點可達25dBm，并且也集成了TTL驅動電路。