首頁 » IC/電路板/系統設計應用 » 瞭解5G設計中補償高頻衰減的等化作用

瞭解5G設計中補償高頻衰減的等化作用

作者 : Arwyn Roberts，CML Microcircuits RF產品經理

雖然RF設計師可以使用被動等化器來補償高頻衰減，但等化器也帶來一些性能權衡...

人們普遍預期5G將大幅改變我們的日常生活，許多分析師並預測，5G將成為下一波經濟成長的驅動力。這種網路技術的變革目前仍處於第一階段，但伴隨5G部署開始進入第二階段以及實施毫米波(mmWave)，當今射頻(RF)設計挑戰將會倍增。在使用者設備(UE)層面，裝置將必須支援多種無線電接取技術(RAT)，不僅包括5G，還有4G/LTE、3G和Wi-Fi，這意味著收發器必須滿足嚴格的功耗和尺寸限制。此外，5G傳輸特性也需要全新前端架構，將RF功能和天線整合於單一封裝。為了實現這些，波束成形等先進技術需要在UE中密集佈署多個RF鏈路和天線單元。

在基礎設施方面，mmWave 5G將由小型基地台提供，需要高密度網路以支援大量連接和載波頻率傳輸特性。這種環境中的收發器設計由於較高頻率訊號而變得複雜，也增加了損耗和雜散電容，並限制了效能和功率級。較多數量的天線和訊號路徑將導致載波間彼此干擾，因而必須對此進行補償。設計者面臨的另一個問題是需要在操作頻率範圍內實現RF收發器平坦頻率響應。傳統上，他們為此會使用被動等化器。在本文中，我們首先分析這種方法的權衡，之後將展示在RF設計中使用正斜率放大器的好處。

頻率響應平坦化

嵌入式系統設計研討會📌熱烈報名中！多家產業領導廠商分享關於嵌入式系統設計的經驗、成果以及遇到的實際挑戰和其解決方案，包括：ST, iar, NVIDIA 等公司，馬上報名！

在整個操作頻率範圍內達到增益平坦度的要求，是離散式RF收發器設計中的常見問題。理想情況下，收發器訊號路徑中的增益應該為平坦。然而，由於鏈路中每個元件都具備有限頻寬，因此隨著頻率提高，整個系統增益響應趨於衰減。這在增益與頻率關係曲線圖中被視為負斜率。對於在較寬頻率範圍操作的收發器而言，實現平坦增益分佈可能是一項挑戰。圖1所示簡化接收器訊號鏈路包括一個低雜訊放大器(LNA)和兩個RF放大器。

圖1：具有典型頻率響應衰減的簡化RF訊號鏈路。

三個放大器頻寬和負增益特性會影響整個系統增益和頻寬。為了簡化起見，假設所有三個功能區塊都具有相同增益和頻寬，總體增益與頻率關係分佈將與上面所示相似。實際上，每個放大器的增益和頻寬並不盡相同，因此它們每一個都會在整個頻率範圍內產生增益誤差。設計人員通常使用兩種標準技術來補償這種增益衰減。第一種是在訊號鏈路中使用固定等化器來使增益響應平坦化，但這種方法會增加衰減，衰減與頻率分佈斜率約略與增益斜率相反。第二種技術是使用在所需頻寬上具有正增益斜率的放大器。

固定等化器之局限

固定等化器由於具有精確衰減斜率值，因而有助於管理RF訊號鏈路中負增益斜率。這讓設計人員得以選擇與系統增益斜率完美匹配的等化器，以產生所期望的總體系統頻率響應。然而，使用等化器需要考量幾個權衡。首先，雖然它們有助於平坦化頻率響應曲線，但會降低整個訊號鏈路增益。其次，在RF訊號鏈路中添加等化器會對RF接收器雜訊指數產生負面影響。最後，如果等化器部署接近功率放大器(PA)，則會降低發射器的輸出功率。

正增益放大器

如果先前考量的權衡對於某個RF系統是需要關注的問題，最好使用透過增益補償實現的增益平坦化技術，而不是衰減技術。正增益斜率放大器讓RF接收器得以保持增益、雜訊指數和動態範圍等整體訊號鏈路性能，同時滿足整個頻率範圍的增益平坦度要求。在發射器層面，可以在不降低功率放大器輸出功率的情況下使頻率響應平坦化。圖2所示為一典型寬頻接收器和正增益斜率放大器組合之增益響應，其中顯示平坦化效果和複合應響總增益增加。

圖2：使用正斜率放大器補償衰減。

例如CML Microcircuits的正增益放大器CMX90G301，有助於去除各種通用無線RF應用中的被動等化器。這種低功率單晶片微波積體電路(MMIC)增益建構區塊能夠很容易地串接到1.4～7.1GHz頻率範圍的RF訊號鏈路，並能提供+1dB的正增益斜率，以及14.5-15.5dB之間的小訊號增益(參見圖3)。

圖3：CMX90G301應用電路。

該MMIC具備高整合度，能夠最大限度減小元件數量和PCB尺寸，透過直流(DC)阻斷電容器，RF埠能夠實現片上50Ω匹配。主動偏壓電路讓元件得以在2.7V-5V的寬電源電壓下操作，典型操作電流為20mA。該簡化電路主要基於GaAs pHEMT元件，以實現低DC功率、低雜訊指數(2dB)和高增益。CML還有另一款MMIC CMX90G302可用於需要更大增益斜率補償(+2dB)的應用。