雷雨

【摘要】文中根據(jù)時(shí)分雙工無線收發(fā)信機(jī)的框圖介紹了放大器、混頻器、衰減器和開關(guān)等MMIC器件在射頻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，著重介紹了MMIC放大器，在介紹各種MMIC器件時(shí)分別給出了幾種器件型號。

【關(guān)鍵詞】MMIC；收發(fā)信機(jī)；射頻器件

單片微波集成電路（MMIC）是利用半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)，將電路中所有的有源元件（如雙極型晶體等、場效應(yīng)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(dǎo)體襯底上的微波電路。MMIC器件有使用簡單、電性能指標(biāo)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(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今的射頻、微波電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用越來越多。

MMIC器件的種類很多，根據(jù)其應(yīng)用范圍可以分為通用功能級和專用系統(tǒng)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(guān)等器件。專用系統(tǒng)級MMIC指那些多個(gè)單功能電路集成到一塊芯片上以完成某特定分系統(tǒng)功能的電路組件，例如GPS接收機(jī)的公用移動(dòng)通信手機(jī)的專用MMIC等。

本文主要介紹圖1所示的時(shí)分雙工收發(fā)信機(jī)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(guān)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(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)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(shí)現(xiàn)噪聲系數(shù)低于2dB。例如Agilent公司的INA～02184，帶寬為800MHz，在500MHz頻點(diǎn)噪聲系數(shù)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(nèi)達(dá)到1.7dB的噪聲系數(shù)，輸入駐波比為1.7：1，增益可達(dá)22dB。M/A COM公司的AM50～0003，工作頻帶800—1000MHz，在900MHz處僅需要兩個(gè)外部匹配元件（在輸入端串聯(lián)一電感，對地并聯(lián)一電阻）即可獲得1.2dB的噪聲系數(shù)。

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(shè)備中的未經(jīng)功放或者基站設(shè)備的功放的激勵(lì)放大器都是可以的。中等功率的PA輸出ldB壓縮點(diǎn)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(diǎn)可達(dá)24dBm。高功率的PA輸出ldB壓縮點(diǎn)可達(dá)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(diǎn)可達(dá)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(diǎn)典型值可達(dá)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(jù)應(yīng)用特點(diǎn)選擇合適設(shè)計(jì)的最優(yōu)組合。在選擇使用通過MMIC放大器時(shí)可以考慮以下幾點(diǎn)，一是選擇工作頻帶不必太寬，只要滿足收發(fā)信機(jī)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(diǎn)不必太高，有些收發(fā)信機(jī)對于射頻模擬鏈路的線性要求較高，但留出適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)裕量即可（因?yàn)橐话鉓MIC放大器的輸出功率ldB壓縮點(diǎn)和OIP3是相關(guān)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(diǎn)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(diǎn)尤其重要；三是由于各種MMIC放大器的生產(chǎn)工藝不同，而且各廠家的設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)思路不同，所以性能指標(biāo)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(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，盡量采用器件封裝相同、偏置電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兼容的器件；五是設(shè)計(jì)應(yīng)用中要考慮到手冊中器件的性能指標(biāo)都是在它所標(biāo)注的典型靜態(tài)工作點(diǎn)下測得的，而靜態(tài)工作點(diǎn)不同，對器件的性能會(huì)有些影響。

某些MMIC放大器在改變靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)增益可能會(huì)發(fā)生變化，例如Agilent的INA系列可以得到10dB以內(nèi)的增益變化。這種方法可以應(yīng)用于整條鏈路增益的微調(diào)，但不適合做自動(dòng)增益控制用。因此器件廠商專門設(shè)計(jì)生產(chǎn)增益動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)范圍高達(dá)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(shù)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(jù)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(dāng)前市場上多數(shù)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(shí)際應(yīng)用中常采用由一穩(wěn)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(huì)有一定幅度的變化，而電阻Rc和電壓vc（集成穩(wěn)壓電路提供）基本保持不變，這樣偏置電流Id就會(huì)發(fā)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(zhèn)流電阻。根據(jù)上面的分析，Rc阻值越大，電流Id越穩(wěn)定，但同時(shí)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(shè)計(jì)為2～4V。電壓偏置MMIC放大器其實(shí)就是放大器內(nèi)部集成了鎮(zhèn)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(gè)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(lián)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?yàn)檫@種混頻器內(nèi)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(nèi)部集成了本振放大器的MMIC混頻器，中頻和射頻端口的應(yīng)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(nèi)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(shí)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(yīng)用了。

三、MMIC衰減器

MMIC衰減器有壓控衰減器和數(shù)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(shí)現(xiàn)衰減量無級調(diào)整，適合衰減量自動(dòng)調(diào)整的閉環(huán)系統(tǒng)里應(yīng)用。而數(shù)字衰減器適合于衰減量開環(huán)調(diào)數(shù)的場合中應(yīng)用。目前位數(shù)最多的MMIC數(shù)控衰減器為M/A COM的AT90系列，控制位數(shù)為6位，其中AT90～1107為步進(jìn)0.5dB，總衰減量為31.5dB；AT90～1106步進(jìn)為1Db，總衰減量為50Db。而且AT90系列數(shù)控衰減器內(nèi)部集成了控制信號驅(qū)動(dòng)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(fā)生鏈路中的衰減器最好采用數(shù)控衰減器。

四、MMIC開關(guān)

MMIC開關(guān)內(nèi)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(guān)不僅可以提高隔度，同時(shí)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(guān)，當(dāng)開關(guān)接通天線端口和接收鏈路的時(shí)候，如果采用反射式開關(guān)，則發(fā)射蓮路則會(huì)嚴(yán)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(guān)。由于MMIC器件承受功率不能太高，所以設(shè)計(jì)時(shí)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(tǒng)的終端設(shè)備設(shè)計(jì)中，在PA后面的開關(guān)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(diǎn)高達(dá)33dBm，而且是內(nèi)部有50Ω電阻。Mini～Circuits的高隔離度吸收式單刀雙擲開關(guān)輸入功率ldB壓縮點(diǎn)可達(dá)25dBm，并且也集成了TTL驅(qū)動(dòng)電路。