LTE頻段LNAFC模塊設(shè)計(jì)方案

LTE頻段LNA+FC模塊設(shè)計(jì)方案擬制：審核：標(biāo)準(zhǔn)化：批準(zhǔn)：發(fā)布日期：修改記錄版本號重要更改內(nèi)容（寫要點(diǎn)即可）更改理由擬制人/修改人擬制/修改日期V1.0初次發(fā)行初版王海峰V1.1在設(shè)計(jì)中增長對WCDMA輸入2載波-40dBm的帶內(nèi)互調(diào)干擾的測試，規(guī)定輸出電平變化小于10dB升級測試方法王海峰V1.2原先設(shè)計(jì)中存在一個錯誤，第二個ALM-38140在進(jìn)行溫補(bǔ)的情況下，常溫會有較大衰減，因此需要將其位置進(jìn)行調(diào)整修改王海峰目錄1 概述 42 技術(shù)規(guī)定 42.1 電氣性能規(guī)定 42.2 模塊結(jié)構(gòu)及工作環(huán)境規(guī)定 52.3 控制功能規(guī)定 53 模塊鏈路預(yù)算 63.1 射頻鏈路預(yù)算 63.2 射頻鏈路預(yù)算說明 84 本振部分及其實(shí)現(xiàn)方案 104.1 本振部分需求 104.2 本振部分時鐘選擇 114.3 本振部分的輸出 115 控制功能需求及實(shí)現(xiàn)方式 115.1 控制功能需求及所需資源 115.2 MCU的選擇 125.3 模塊的ALC控制 125.4 模塊的485控制 126 模塊電源的分派 126.1 模塊電源需求 126.2 電源芯片的選擇 136.3 模塊電源開關(guān)實(shí)現(xiàn)方式 137 模塊也許問題分析 137.1 溫度漂移問題 137.2 高低溫增益變化 147.3 帶內(nèi)波動及帶外雜散 148 附件：新器件規(guī)格書 14

概述本設(shè)計(jì)方案重要針對2600~2700MHzLTE頻段中，任意15MHz帶寬內(nèi)的一個工作頻段。規(guī)定LNA部分可以支持寬頻段的工作，F(xiàn)C部分可以通過對鎖相環(huán)的配置，來實(shí)現(xiàn)不同頻段的選擇。規(guī)定模塊可以通過更換器件的方式，實(shí)現(xiàn)從CDMA800M到LTE2700M頻段的公用，因此需要在器件的選用上需要考慮更多的因素。由于存在通用性的問題，因此在部分指標(biāo)上，需要進(jìn)行折中，以達(dá)成最佳性價比。技術(shù)規(guī)定電氣性能規(guī)定表2-1模塊電氣性能規(guī)定ParameterSpecificationRemarkFrequencyBand2620—2690MHz2555~2570MHzOutputPower&AdjustRange0dBm;≥10dBOutputPowerFlatness0.5dB3dBBandwidth15MHzGain50±1.0dB@Pout=0dBmGainVariationoverTemp.≤±1.0dBover-20°C~+60°CGain31.5dB;±1dBPortReturnLoss＞18dBNoiseFigure≤2.5dBAttset-15dB,NF≤7.5dBEVM≤4%PCDE≥40dBIM3≥75dBc@pertone-8dBmAlcupper20dBIM3HoldALCDepth＞30dBALCTypeSlotControlAnalogAttenuationControl＞15dBPowerSupplyDC9—12Vwithoutdamage@14VCurrentConsumptionMax.0.9AMaxRFInputPower+10dBmwithoutdamagein3minutes模塊結(jié)構(gòu)及工作環(huán)境規(guī)定表2-2模塊工作環(huán)境及外觀規(guī)定ParameterSpecificationRemarkDimension(Body)100(W)*140(D)*25(H)[mm]ColorWhiteChromateRFInputConnectorSMAFemaleOutputConnectorSMA-typeFemaleI/OConnector5*2PINBoxHeaderforMCUprogram90°RightAngel2*2PIN2.0mmDCConnectorFeedthoughCapacitorScrewThreadedStyleCoolingExternalHeatsinkOperatingCaseTemperature-20°C~+60°CStorageTemperature-40°C~+85°CRelativehumidity5~95%(NonCondensing)控制功能規(guī)定表2-3模塊控制功能規(guī)定ParameterSpecificationRemarkContactTypeRS485；9600kpsAttenuation≥31dB@1dBStepALCDepthAlarm＞30dBAGCControlVoltageOutputAGCEnableLNAFailealarmTTLAnalogAttenuationControl＞15dBPLLAlarmPLLUnlockedTTLModuleSwitchON/OFF模塊鏈路預(yù)算射頻鏈路預(yù)算射頻鏈路預(yù)算說明為考慮兼容性和模塊端口駐波指標(biāo)，選用MGA-632P8作為LTE頻段的低噪管。對于1.5GHz以下的頻段，可以選用MGA-631P8。同時為了方便物料的備件與替換，Skyworks的SKY67101-396LF和SKY67102-396LF兩種型號，可以進(jìn)行替換。為滿足模塊端口最大輸入+10dBm的條件，以及ETSI中額定輸入+20dB互調(diào)不惡化的規(guī)定，為達(dá)成最佳性價比，在對噪聲指標(biāo)進(jìn)行一定的惡化的條件下，選擇LNA+VGA+DA的鏈路架構(gòu)。VGA選用低插損的ALM-38140，避免噪聲的過多惡化。VGA之后的第一個推動級，重要是為了有足夠大的增益來滿足后級的噪聲指標(biāo)，以及有足夠大的線性來滿足3GPPFDD中對輸入互調(diào)指標(biāo)的規(guī)定。對LTE頻段，選擇MGA-31489；對于1.5GHz以下的頻段，選擇MGA-31389。為達(dá)成指標(biāo)的規(guī)定，對鏈路架構(gòu)進(jìn)行一定的改變，減少進(jìn)入IFSAW之前的放大管的級數(shù)，并適當(dāng)提高單級的增益，雖然會對噪聲有一定的惡化，但在合理選擇器件的情況下，可以滿足模塊的指標(biāo)規(guī)定。RFSAW選擇3.0*3.0封裝的通用的產(chǎn)品，以便實(shí)現(xiàn)各個頻段的通用性。混頻器選擇HITTITE的無源混頻器，可以在PCB上實(shí)現(xiàn)公用。中頻部分的放大管，選用SGA-6489。對于中頻部分，不同制式的，可以選用相同的中頻架構(gòu)，但是需要預(yù)先在射頻部分呢預(yù)留一定的Pi衰的調(diào)整位置，方便對前級的增益進(jìn)行微調(diào)。IFSAW一方面考慮3512封裝的，并預(yù)留2712封裝的位置，根據(jù)實(shí)際頻段的需求，來使用合適的器件。綜合以上因素，對IFSAW之前的鏈路的計(jì)算結(jié)果如下：從上面的計(jì)算結(jié)果中，可以看出輸入互調(diào)干擾信號在帶內(nèi)產(chǎn)生的信號電平在通過IFSAW之后，約為-100.5dBm，在通過IFSAW之后放大后，幅度約為-100.5+39.5=61dBm。模塊自身在1MHz的RBW的測試條件下，底噪約為-174+50+2+60=-62dBm。則互調(diào)產(chǎn)物相對原先底噪，惡化約1dB，滿足3GPPFDD的規(guī)定。IFSAW輸出到第二個混頻器之間，仍處在中屢屢段。為改善模塊的噪聲指標(biāo)以及減少對高頻段高增益高線性放大管的需求，因此在中頻部分使用兩個推動級放大管，同時可以改善模塊的本振泄露指標(biāo)。中頻部分的放大管，有SGA-6489和SGA-6289兩種，為保證具有一定的設(shè)計(jì)增益富裕，兩者各用一級，由于SGA-6289的線性和S22參數(shù)稍好，因此將其用于后級。SGA-6289的輸出端，使用與第一級混頻器相同的混頻器。此種類型的混頻器，一般具有大于25dB的LO到RF的克制。其規(guī)定的LO功率為+17dBm，則其在射屢屢段上輸出的本振功率約為-8dBm。在混頻器之后的有效增益約為21dB，一般單個射頻聲表對偏離140MHz或者70MHz的克制約在40dB。為滿足本振泄露水平低于-60dBm的水平，至少需要兩級射頻聲表來濾波。為避免因器件一致性不好帶來的偏差，在鏈路上設(shè)計(jì)三個射頻聲表的位置。針對不同制式，在第二個混頻器之后，預(yù)留一定的LC濾波器的位置，來實(shí)現(xiàn)對高次諧波的克制。隨后是一級射頻聲表。在射頻聲表面之后，為另一個VGA。該VGA重要用來實(shí)現(xiàn)對模塊增益的調(diào)節(jié)。將該VGA置于此處，重要是為了避免將其放于前級的時候，調(diào)整其增益時會對模塊的噪聲導(dǎo)致太大影響。將其放于此處，也可以在將模塊增益設(shè)立為40dB的時候，模塊的整體互調(diào)指標(biāo)可以滿足-75dBc@-10dBmoutput的規(guī)定。計(jì)算結(jié)果如下：在此之后為一個推動級，該推動級需要滿足高增益、高線性的需要，由于在較高頻度，因此選用MGA-31489。在其之后，為預(yù)留的一個RFSAW的位置，在RFSAW之后，為一個DATT部分，將該數(shù)控衰減器置于此處，重要是為了考慮在增益回退的情況下的噪聲系數(shù)，并且將該級使用數(shù)控衰減器，可以達(dá)成一定的鏈路增益調(diào)整的目的。數(shù)控衰減器選用HMC624。該型號的器件，可以支持從DC-6GHz。在DATT之后，為一級RFSAW以及一定的Pi衰，重要用來改善模塊的輸出線性以及對末級進(jìn)行更好的匹配，使其可以達(dá)成更佳的S22參數(shù)。為滿足整個模塊輸出0dBm互調(diào)大于55dBc的目的，末級選用MGA-31489，同時也能較好的減少模塊中所用器件型號。如有其他更改線性規(guī)定，可以通過更改Pi衰以及更換末級來達(dá)成。本振部分及其實(shí)現(xiàn)方案本振部分需求該模塊分為上下行兩個頻段，規(guī)定兩個頻段可以公用PCB和其中的大部分元器件，因此，在本振部分，需要兩個封裝以及控制方式相同的頻綜，并規(guī)定兩個頻綜在輸出信號的雜散上，具有大體相等的水準(zhǔn)。根據(jù)頻點(diǎn)的初步規(guī)定，模塊上行頻段為2500~2570MHz，下行頻段為2615~2685MHz。模塊的下行鏈路，使用高本振的方式，上行鏈路，使用低本振的方式。由于中頻的頻點(diǎn)選擇為140MHz，則所需要的本振的中心頻點(diǎn)分別為2395MHz和2790MHz。因此選用的頻綜芯片為SNCPS3-2420和SNCPS3-2770。本振部分時鐘選擇根據(jù)所用的頻綜芯片的規(guī)定，需要使用的參考時鐘的頻率為10MHz，由于頻綜輸出的本振信號的頻率較高，因此需要選用一個相噪指標(biāo)較優(yōu)的晶振，并且為了減少模塊上所用的電源芯片的數(shù)量，因此選用TVCTCLSANF5032SMDTCXO10.000000MHz的晶振作為頻綜的參考源。本振部分的輸出頻綜的本振輸出功率為6dBm左右，但是混頻器所需的功率為+17dBm，因此需要對本振的輸出功率進(jìn)行放大。為保證頻綜功率的純凈，最佳是能在頻綜的輸出信號之后使用一個聲表或者介質(zhì)濾波器，但在無合適濾波器的情況下，也可以初步進(jìn)行一定的LC濾波。頻綜的輸出功分直接使用三個電阻進(jìn)行功分，由此會損失一定的功率。本振信號的功率放大，使用SBB-5089Z作為放大級，其輸出的P1dB在18dBm左右，可以滿足混頻器的功率需求?？刂乒δ苄枨蠹皩?shí)現(xiàn)方式控制功能需求及所需資源模塊的控制功能重要涉及以下幾個部分：1、射頻鏈路上數(shù)控ATT的控制：MCU三路IO口2、ALC的設(shè)立控制功能：一路DA口3、頻綜芯片的控制：四路IO口4、485通訊控制：兩個專有串口，一個IO口5、模塊輸出功率檢測功能：一路AD口6、模塊輸入過功率檢測功能：一路AD口7、模塊開關(guān)功能：一路IO口綜上所述，總共需要的資源為：IO口：9AD口：2DA口：1串口：兩個MCU的選擇MCU的選擇重要需要考慮以下幾個方面：電壓、功耗、內(nèi)部存儲資源、IO口、AD/DA資源、看門狗功能。選用目前常用的c8051f410作為模塊的MCU部分。其余的部分諸如看門狗、外置時鐘、外置存儲器等部分，將根據(jù)程序的實(shí)際需求而添加。模塊的ALC控制模塊的ALC控制需要實(shí)現(xiàn)對時隙功率的控制，因此在檢波方式上，需要使用肖特基二極管作為功率檢測器。肖特基二極管的輸入信號來源為通過電阻對模塊的輸出口進(jìn)行耦合。肖特基二極管的輸出電平，在通過一級運(yùn)放放大之后，進(jìn)入MCU作為模塊的輸出功率采樣，同時進(jìn)入下一級運(yùn)放，在第二級運(yùn)放上，通過與MCU的DA輸出的ALC設(shè)立電壓進(jìn)行積分后，再通過一級運(yùn)放做一個射隨放大，之后將射隨放大的電壓作為38140的衰減控制電壓。該電壓將通過另一級運(yùn)放射隨放大，然后進(jìn)行分壓后，輸入到MCU上做AD檢測，作為ALC過功率的告警控制。模塊的485控制模塊的485通訊重要通過一個485轉(zhuǎn)換芯片ZT13085E來實(shí)現(xiàn)，該芯片采用辦雙工的方式與整機(jī)控制板之間進(jìn)行通信。模塊電源的分派模塊電源需求模塊規(guī)定使用外部DC+9~12V供電，規(guī)定模塊在供電電壓為DC+14V的情況下無損，規(guī)定模塊消耗電流小于0.9A。模塊內(nèi)部初步估計(jì)總耗電電流如下表所示：表5-1模塊內(nèi)部功耗計(jì)算器件名稱型號mga-632p8Alm-38140Mga-31489Sga-6489*2Sga-6289Alm-38140供電電壓5V5V5V8V8V5V消耗電流70mAMAX23mA84mAMAX166mAMAX83mAAMX23mA器件名稱型號Mga-31489hmc624Mga-31489頻綜sbb-5089zsbb-5089z供電電壓5V5V5V5V5V5V消耗電流84mAMAX2mA84mAMAX50mAMAX92mAMAX92mAMAX器件名稱型號TCXOMCUC8051F410OPAMP485芯片ZT13085E供電電壓5V5V消耗電流2mAMAX50mA模塊內(nèi)部5V總功耗為：70+23+84+23+84+2+84+50+92+92+2+50=656mA模塊內(nèi)部8V總功耗為：166+83=249mA電源芯片的選擇在上述評估的條件下，最大電流大約為905mA，在實(shí)際情況下，電流會比該最大值小，并且若是使用開關(guān)電源芯