前置濾波器LNA改善同步操作提高GPS的接收器靈敏度

前言

隨著時代的演進，移動電話已因加入如WiFi、藍牙和GPS等無線通訊技術(shù)變得越來越復(fù)雜，而越來越多的無線信號也令設(shè)計工程師必須利用強大的濾波技術(shù)來避免手機設(shè)計中面臨的干擾問題，特別是全球定位系統(tǒng)(GPS)功能。

對于同步全球定位系統(tǒng)S-GPS，GPS信號的接收以及語音或數(shù)據(jù)信號的傳送會在手機中同時發(fā)生，而語音或數(shù)據(jù)發(fā)送信號可能會泄漏到GPS的接收路徑，造成低噪聲放大器或后端電路的過載，影響接收器的靈敏度。這給手機設(shè)計工程師帶來了強大的挑戰(zhàn)，因為他們必須決定如何在微弱的GPS輸入信號下維持接收器的靈敏度，同時還得面對語音或數(shù)據(jù)發(fā)送信號的干擾。這就需要一個具有非常良好的強大干擾信號屏蔽能力，并且可以提供低噪聲系數(shù)和微弱GPS信號高增益的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屏蔽強大干擾信號避免流入GPS接收器路徑，依Friis方程，第一級電路的噪聲系數(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，要達到前面提到的目標，設(shè)計工程師必須集成一個具有低插入損耗、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。

一個具備這些特性的GPS前端模塊產(chǎn)品范例來自安華高科技(Avago Technologies)公司，由薄膜腔聲諧振濾波器和GaAs增強模式偽形態(tài)高電子遷移率晶體管低噪聲放大器組合而成。FBAR是一個可以提供高Q值小型濾波器，帶來陡峭滾降濾波和強固帶外抑制能力的專有技術(shù)，通過集成濾波器，模塊可以屏蔽接近1.575GHz GPS信號的干擾信號，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，因此需要一個具有陡峭滾降濾波能力的濾波器來屏蔽信號而不會顯著衰減帶內(nèi)的GPS信號。

由于噪聲系數(shù)通常由接收器路徑的第一級電路決定，因此，在模塊的第一級電路集成低損耗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)，前兩個模塊在第一級電路集成一個FBAR濾波器，并在之后加上一個低噪聲放大器，其中第二個并加入額外的后置濾波器。第三個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)和簡化功能框圖。

由表1我們可以看到，前兩個模塊對于干擾信號的屏蔽能力優(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大干擾信號下正常工作，不會造成放大器飽和。

測量和測試配置

為了進一步詳細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中三個模塊在干擾信號情況下的屏蔽能力。測量通過監(jiān)視模塊噪聲系數(shù)在特定功率水平干擾信號下的劣化情形進行，在測量中使用接近GPS頻率，可能對GPS頻率噪聲系數(shù)影響最大的1.62GHz干擾信號。圖2為進行測量的測試配置。

圖１ GPS 接收器(Rx)前端的簡化功能框圖

圖2 測量出現(xiàn)干擾信號下噪聲系數(shù)劣化情形的測試配置。

圖3 串接陷波濾波器和帶通濾波器的濾波響應(yīng)。

信號產(chǎn)生器產(chǎn)生一個位于干擾頻率的持續(xù)信號波，功率組合器結(jié)合干擾信號和噪聲源，接著把組合后的信號送到GPS模塊來測量各自的噪聲系數(shù)。

在干擾信號和噪聲源組合前存在一個外部前置放大器放大干擾信號，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，任何來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量而非模塊本身噪聲系數(shù)的測量。為了保證噪聲系數(shù)的測量不會包含額外的本底噪聲，配置中使用濾波器衰減GPS頻率的干擾信號以抑制信號和噪聲。

如前所討論，要使測試正確且精密進行必須對GPS頻率干擾信號的本底噪聲有高抑制能力。由圖2我們可以看到，在干擾信號源安排帶通濾波器可以濾除干擾信號的諧波。另外，放置在帶通濾波器后方的兩個陷波濾波器可以抑制GPS頻率干擾信號的本底噪聲。圖3顯示二個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干擾信號頻率的低損耗。

對于受測器件，也就是GPS模

塊后方的測試配置，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大干擾信號避免進入噪聲系數(shù)分析儀，幫助分析儀避免受到強大干擾信號影響而過載。

測量結(jié)果討論

圖4顯示了三個模塊在強大1.62GHz干擾信號下噪聲系數(shù)的劣化情況，主要以無干擾信號下各模塊的噪聲系數(shù)為參考，測量結(jié)果則基于圖2中的測試配置。

圖4 噪聲系數(shù)劣化相對于干擾信號強度的關(guān)系

對于第一級電路中未帶有前置濾波器的ALM-1412模塊，在干擾信號達到-10dBm功率水平前噪聲系數(shù)的劣化就超過1dB，而ALM-1912和ALM-2712模塊則在噪聲系數(shù)上沒有影響，甚至當干擾信號的功率水平達到20dBm時也沒有。

非常明顯，帶有前置濾波器的GPS模塊對于強大干擾信號有著更好的抑制能力，在這個例子中，測量數(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模塊對于強大干擾信號的抵抗能力要好上許多。

結(jié)論

總的來說，在第一級電路集成FBAR濾波器可以提供對抗干擾信號更好的噪聲系數(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)計完成時間。