使用前置濾波器LNA模塊改善同步操作GPS的接收器靈敏度

前言

隨著時(shí)代的演進(jìn)，移動(dòng)電話已因加入如WiFi、藍(lán)牙和GPS等無(wú)線通訊技術(shù)變得越來(lái)越復(fù)雜，而越來(lái)越多的無(wú)線信號(hào)也令設(shè)計(jì)工程師必須利用強(qiáng)大的濾波技術(shù)來(lái)避免手機(jī)設(shè)計(jì)中面臨的干擾問(wèn)題，特別是全球定位系統(tǒng)(GPS)功能。

對(duì)于同步全球定位系統(tǒng)S-GPS，GPS信號(hào)的接收以及語(yǔ)音或數(shù)據(jù)信號(hào)的傳送會(huì)在手機(jī)中同時(shí)發(fā)生，而語(yǔ)音或數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)可能會(huì)泄漏到GPS的接收路徑，造成低噪聲放大器或后端電路的過(guò)載，影響接收器的靈敏度。這給手機(jī)設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了強(qiáng)大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄儽仨殯Q定如何在微弱的GPS輸入信號(hào)下維持接收器的靈敏度，同時(shí)還得面對(duì)語(yǔ)音或數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)的干擾。這就需要一個(gè)具有非常良好的強(qiáng)大干擾信號(hào)屏蔽能力，并且可以提供低噪聲系數(shù)和微弱GPS信號(hào)高增益的GPS接收器前端。

集成低插入損耗高屏蔽能力FBAR濾波器到低噪聲放大器

前置濾波器可以用來(lái)屏蔽強(qiáng)大干擾信號(hào)避免流入GPS接收器路徑，依Friis方程，第一級(jí)電路的噪聲系數(shù)或插入損耗主要取決于接收器鏈的噪聲系數(shù)，只要后方電路擁有合理的增益。因此，要達(dá)到前面提到的目標(biāo)，設(shè)計(jì)工程師必須集成一個(gè)具有低插入損耗、高帶外抑制能力以及低噪聲高增益且線性度良好的放大器。

一個(gè)具備這些特性的GPS前端模塊產(chǎn)品范例來(lái)自安華高科技(Avago Technologies)公司，由薄膜腔聲諧振濾波器和GaAs增強(qiáng)模式偽形態(tài)高電子遷移率晶體管低噪聲放大器組合而成。FBAR是一個(gè)可以提供高Q值小型濾波器，帶來(lái)陡峭滾降濾波和強(qiáng)固帶外抑制能力的專有技術(shù)，通過(guò)集成濾波器，模塊可以屏蔽接近1.575GHz GPS信號(hào)的干擾信號(hào)，并維持放大器的低噪聲系數(shù)。作為范例，衛(wèi)星電話的通信頻帶使用非常接近GPS頻率的1.62GHz信號(hào)，因此需要一個(gè)具有陡峭滾降濾波能力的濾波器來(lái)屏蔽信號(hào)而不會(huì)顯著衰減帶內(nèi)的GPS信號(hào)。

由于噪聲系數(shù)通常由接收器路徑的第一級(jí)電路決定，因此，在模塊的第一級(jí)電路集成低損耗FBAR濾波器，并隨后加上GaAs低噪聲放大器可以帶來(lái)具有極低噪聲系數(shù)和高帶外屏蔽能力的最佳GPS接收器。

射頻性能表現(xiàn)

表１中總結(jié)了三款具有不同前置濾波、后置濾波和放大器組合GPS模塊的射頻性能表現(xiàn)，前兩個(gè)模塊在第一級(jí)電路集成一個(gè)FBAR濾波器，并在之后加上一個(gè)低噪聲放大器，其中第二個(gè)并加入額外的后置濾波器。第三個(gè)模塊則是低噪聲放大器加上后置濾波器的組合。

表1 安華高科技公司不同濾波器和放大器組合GPS模塊產(chǎn)品的射頻性能表現(xiàn)和簡(jiǎn)化功能框圖。

由表1我們可以看到，前兩個(gè)模塊對(duì)于干擾信號(hào)的屏蔽能力優(yōu)秀許多，ALM-1912和ALM-2712在蜂窩頻帶、PCS頻帶和WiFi頻帶的帶外輸入P1dB要比在低噪聲放大器前未帶有濾波器的ALM-1412好上許多，高帶外P1dB意味著模塊可以在強(qiáng)大干擾信號(hào)下正常工作，不會(huì)造成放大器飽和。

測(cè)量和測(cè)試配置

為了進(jìn)一步詳細(xì)了解這三款不同濾波器和放大器組合模塊的性能表現(xiàn)，以下的比較顯示了表1中三個(gè)模塊在干擾信號(hào)情況下的屏蔽能力。測(cè)量通過(guò)監(jiān)視模塊噪聲系數(shù)在特定功率水平干擾信號(hào)下的劣化情形進(jìn)行，在測(cè)量中使用接近GPS頻率，可能對(duì)GPS頻率噪聲系數(shù)影響最大的1.62GHz干擾信號(hào)。圖2為進(jìn)行測(cè)量的測(cè)試配置。

圖１ GPS 接收器(Rx)前端的簡(jiǎn)化功能框圖

圖2 測(cè)量出現(xiàn)干擾信號(hào)下噪聲系數(shù)劣化情形的測(cè)試配置。

圖3 串接陷波濾波器和帶通濾波器的濾波響應(yīng)。

信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)位于干擾頻率的持續(xù)信號(hào)波，功率組合器結(jié)合干擾信號(hào)和噪聲源，接著把組合后的信號(hào)送到GPS模塊來(lái)測(cè)量各自的噪聲系數(shù)。

在干擾信號(hào)和噪聲源組合前存在一個(gè)外部前置放大器放大干擾信號(hào)，噪聲系數(shù)分析儀可以監(jiān)視并接收極低本底噪聲的信號(hào)，任何來(lái)自干擾源的額外噪聲都非常重要，因此被涵蓋在噪聲系數(shù)的測(cè)量中。位于GPS頻率的高本底噪聲干擾源可能造成干擾源本底噪聲的測(cè)量而非模塊本身噪聲系數(shù)的測(cè)量。為了保證噪聲系數(shù)的測(cè)量不會(huì)包含額外的本底噪聲，配置中使用濾波器衰減GPS頻率的干擾信號(hào)以抑制信號(hào)和噪聲。

如前所討論，要使測(cè)試正確且精密進(jìn)行必須對(duì)GPS頻率干擾信號(hào)的本底噪聲有高抑制能力。由圖2我們可以看到，在干擾信號(hào)源安排帶通濾波器可以濾除干擾信號(hào)的諧波。另外，放置在帶通濾波器后方的兩個(gè)陷波濾波器可以抑制GPS頻率干擾信號(hào)的本底噪聲。圖3顯示二個(gè)串接陷波濾波器和帶通濾波器的頻率響應(yīng)，串接濾波器在1.575GHz提供100dB的衰減以及1.62GHz干擾信號(hào)頻率的低損耗。

對(duì)于受測(cè)器件，也就是GPS模塊后方的測(cè)試配置，安排在噪聲系數(shù)分析儀前方的GPS帶通濾波器可以屏蔽強(qiáng)大干擾信號(hào)避免進(jìn)入噪聲系數(shù)分析儀，幫助分析儀避免受到強(qiáng)大干擾信號(hào)影響而過(guò)載。

測(cè)量結(jié)果討論

圖4顯示了三個(gè)模塊在強(qiáng)大1.62GHz干擾信號(hào)下噪聲系數(shù)的劣化情況，主要以無(wú)干擾信號(hào)下各模塊的噪聲系數(shù)為參考，測(cè)量結(jié)果則基于圖2中的測(cè)試配置。

圖4 噪聲系數(shù)劣化相對(duì)于干擾信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系

對(duì)于第一級(jí)電路中未帶有前置濾波器的ALM-1412模塊，在干擾信號(hào)達(dá)到-10dBm功率水平前噪聲系數(shù)的劣化就超過(guò)1dB，而ALM-1912和ALM-2712模塊則在噪聲系數(shù)上沒(méi)有影響，甚至當(dāng)干擾信號(hào)的功率水平達(dá)到20dBm時(shí)也沒(méi)有。

非常明顯，帶有前置濾波器的GPS模塊對(duì)于強(qiáng)大干擾信號(hào)有著更好的抑制能力，在這個(gè)例子中，測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，比起放大器前未帶有濾波器的ALM-1412模塊，帶有前置濾波器的ALM-1912和ALM-2712模塊對(duì)于強(qiáng)大干擾信號(hào)的抵抗能力要好上許多。

結(jié)論

總的來(lái)說(shuō)，在第一級(jí)電路集成FBAR濾波器可以提供對(duì)抗干擾信號(hào)更好的噪聲系數(shù)性能表現(xiàn)，F(xiàn)BAR濾波器的低插入耗損對(duì)于放大器噪聲系數(shù)的影響最小，因此，帶有低插入耗損和高帶外抑制能力FABR前置濾波器的GPS放大器模塊提供了GPS接收器鏈的最佳方案，另一個(gè)額外好處是，所有部件集成到小型模塊封裝內(nèi)可以節(jié)省電路板空間和設(shè)計(jì)完成時(shí)間。