基于NXP公司TFF1044HN芯片的Ku波段四聯(lián)高頻頭設(shè)計

李利軍

【摘 要】本文采用NXP公司的TFF1044HN設(shè)計四聯(lián)高頻頭。該芯片可以應(yīng)用在10.70GHz到12.75GHzKu波段衛(wèi)星接收系統(tǒng)中的通用四聯(lián)和四驅(qū)高頻頭設(shè)計中，該芯片集成了高頻頭設(shè)計所需的各部分元件。本文詳細(xì)介紹了TFF1044HN芯片的芯片功能，并對其前端接口的噪聲系數(shù)和增益進(jìn)行仿真。

【關(guān)鍵詞】NXP公司；LNB；Ku波段；TFF1044HN

0 引言

NXP半導(dǎo)體公司在衛(wèi)星高頻頭（LNB）市場開發(fā)兩個款新產(chǎn)品，一款是完全集成的四個降頻變頻器的集成電路芯片（TFF1044HN）和一款利用鍺硅技術(shù)的超低噪音在雙極型晶體管（BFU910F）。這些產(chǎn)品可以解決當(dāng)前的市場上的四聯(lián)高頻頭產(chǎn)品的一些問題，例如可以減少設(shè)計時間，減小PCB設(shè)計尺寸，降低成本等。

1 四聯(lián)高頻頭設(shè)計方案

1.1 方案介紹

四聯(lián)LNB有兩個在Ku波段圓波導(dǎo)中實現(xiàn)的正交模式輸入口，這兩個射頻輸入信號由兩個級聯(lián)放大器放大，然后信號經(jīng)9.75 GHz-10.6 GHz的本地震蕩器由Ku 波段混縮到L波段。四聯(lián)高頻頭中除了TFF1044芯片的四個低噪聲放大器（LNA），其他四個線性穩(wěn)壓器，四個二極管，一個25M晶振等都是電路必須的。二極管可以選用BAV99開關(guān)二極管或其他性能相近的二極管。

1.2 機(jī)械要求

獨立的四聯(lián)高頻頭通常采用兩塊PCB板或者PCB板尺寸更大。例如，基準(zhǔn)高頻頭PCB板面積可以達(dá)到4500mm2，我們利用TFF1044HN芯片設(shè)計的四聯(lián)高頻頭應(yīng)該設(shè)計在一塊PCB板上，而且PCB板面積應(yīng)該盡可能的小。但是這個尺寸受限制于4個射頻借口之間的最小距離。應(yīng)用TFF1044HN芯片的PCB板子尺寸可以減小到2000mm2，PCB面積縮減近45%。

1.3 設(shè)計思想

兩個級聯(lián)低噪聲放大器的整體轉(zhuǎn)換增益是確定的。第一級低噪聲放大器選擇一款常用的具有優(yōu)秀噪聲系數(shù)的高電子遷移率晶體管（pHEMT）。第二級是NXP的雙極性晶體管（BJT），與典型的pHEMT設(shè)備相比，這個晶體管大約有最小1.5dB的增益。TFF1044芯片可以為第一和第二級的提供偏振。第一級用于pHEMT的可調(diào)偏振電流。第二級是可選擇pHEMT 和BJT的可調(diào)偏振電流。NXP 公司的BJT芯片，例如BFU910F有電源電流優(yōu)勢跟pHEMT相比，它可以提供大約3mA給每個LNA. 帶通濾波器被應(yīng)用以增加整個圖像抑制。這個過濾器使46dB的PCB級平均圖像抑制有了實現(xiàn)的可能。電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇是使用四個線性穩(wěn)壓器（6V），每個IF通道1個，并溝通簡單的二極管與他們的輸出結(jié)合。利用集成芯片設(shè)計高頻頭產(chǎn)品的PCB設(shè)計目標(biāo)是在保證良好的射頻性能和安全的中頻接口時，能設(shè)計出最小的PCB面積。

2 TFF1044HN芯片介紹

TFF1044HN芯片是一款集成的下變頻器，它可以應(yīng)用在10.70GHz到12.75GHzKu波段衛(wèi)星接收系統(tǒng)中的通用四聯(lián)和四驅(qū)高頻頭設(shè)計中。該芯片集成了高頻頭設(shè)計所需的混頻器，本地振蕩器，中頻（IF）放大器，IF開關(guān)矩陣，電壓、信號極性檢測和一對兩級低噪聲放大器（LNA）的高電子遷移率晶體管（pHEMT）偏置控制。該芯片可以被用來設(shè)計一款具有兩路RF輸入和四路IF輸出的產(chǎn)品，并且可以大大減小PCB尺寸（圖1）。

設(shè)計完成一個四聯(lián)高頻頭，除了芯片TFF1044，僅僅需要很少的外部元件，包括低噪聲放大階段，25MHz振蕩器，電壓調(diào)節(jié)器，2個二極管對，還有一些無源電路。相對于設(shè)計獨立的四聯(lián)高頻頭，這種設(shè)計方案的元件數(shù)明顯減少。TFF1044HN芯片為了便于應(yīng)用，通過使用其控制引腳為設(shè)計者提供了一些設(shè)計的靈活性，各引腳的設(shè)置方法介紹如下：

POL_SWAP / MODE_SEL：這個引腳作為偏振交換選擇引腳，能使PCB路由最佳Ku波段射頻路徑。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，垂直和水平的極化被分配到射頻路徑A和B上，四驅(qū)模式操作設(shè)置也在同一張表上。

GAIN_SET：這個引腳提供一個三級可調(diào)增益。TFF1044有一個可調(diào)的增益態(tài)是為了能夠讓設(shè)計者自由設(shè)置LNB的整體增益。通過GAIN_SET引腳的外部連接，它的轉(zhuǎn)換增益可以設(shè)置為30dB，33dB或者36dB。該引腳接GND是30dB低增益，浮空是33dB中增益，經(jīng)由100100kΩ電阻下拉接地則是36dB高增益。

2AB_TYPSEL：這個引腳是為第二級放大器使能不同的偏執(zhí)，其取決于所選方案，如雙極性晶體管（BJT）或高電子遷移率晶體管（pHEMT）。TFF1044芯片把2級LNA使用不同類型的晶體管的靈活性交給設(shè)計者，引腳5接GND放大類型是pHEMT，接Float放大類型是BJT。

1AB_ISET / 2AB_ISET：這些引腳分別設(shè)置低噪聲放大器（LNA）的第1、第2階段的電流。低噪聲放大器晶體管的參數(shù)，無論是高電子遷移率晶體管（pHEMT）還是雙極性晶體管（BJT），都取決于pHEMT的漏極電路或BJT的集電極電流。所以用一個電流源代替一個電壓源去驅(qū)動晶體管會更可靠。TFF1044HN 有能力為晶體管提供像低噪聲放大器第1、第2級所需的兩種極性的驅(qū)動電流源。TFF1044HN芯片允許設(shè)計者分別獨立配置2級的電流。對于pHEMT的典型漏極電流是10mA，相應(yīng)的必須要外接一個22kΩ的上拉電阻到該引腳。BFU910F的典型驅(qū)動電流時6-7mA，那么在2AB_ISET引腳相應(yīng)的電阻式33 kΩ。

3 性能仿真測試

前端接口包括兩級低噪聲放大器，與輸入匹配的圓波導(dǎo)，中間級的匹配電路和輸出電路，輸出電路包括輸出匹配，帶通濾波器（BPF）和50Ω的傳輸線。砷化鎵場效應(yīng)管NE3503M04和雙極性晶體管BFU910分別被用在第一、第二級噪聲放大器中。圓波導(dǎo)被用作輸入接口，其與輸入匹配電路的參數(shù)存儲在原理圖中的S4P模型中。

4 結(jié)論

本文采用NXP公司的TFF1044HN設(shè)計四聯(lián)高頻頭。該芯片可以應(yīng)用在10.70GHz到12.75GHzKu波段衛(wèi)星接收系統(tǒng)中的通用四聯(lián)和四驅(qū)高頻頭設(shè)計中。該芯片集成了高頻頭設(shè)計所需的各部分元件。本文詳細(xì)介紹了TFF1044HN芯片的芯片功能及其在過程中的問題。希望對采用TFF1044HN芯片設(shè)計高頻頭的設(shè)計人員有所幫助。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]