人们普遍预期5G将极大改变我们日常生活方式，许多分析师现在预测，5G将成为下一波经济增长的驱动力。这种变革性网络技术的推出目前仍处于第一阶段，但随着其部署开始进入第二阶段，以及毫米波的推出，当今射频设计挑战将会成倍增加。在用户设备(UE)层面，设备将需要支持多种无线接入技术(RAT)，不仅包括5G，还包括4G/LTE、3G和Wi-Fi，这意味着收发器必须满足严格的功耗和尺寸限制。此外，5G的传播特性也需要全新的前端架构，并将射频功能和天线集成到一个封装中。为了实现这些要求，波束成形等先进技术将需要在UE中密集封装多个RF链路和天线单元。
在基础设施层面，毫米波5G将由小型基站提供，需要高密度网络以支持大量连接和载波频率的传播特性。这种环境中收发器设计因更高的信号频率而变得复杂，这会增加损耗和杂散电容，并限制效率和功率水平。大量的天线和信号路径会导致大量的载波间干扰，也就必须对此进行补偿。设计人员所面临的另一个问题是要在工作频率范围内实现RF收发器的平坦频率响应。传统上，他们会为此使用无源均衡器。在本文中，我们将首先分析与这种方法有关的权衡，然后再展示在RF设计中使用正斜率放大器的好处。
在整个工作频率范围内达到增益平坦度的要求，是分立RF收发器设计中一个常见问题。理想情况下，收发器信号路径中增益应该是平坦的。然而，由于链路中每个元器件都具有有限的带宽，因此整个系统增益响应往往会随着频率的增加而下降。这在增益与频率关系图中表现为负斜率。对于在较宽带率范围工作的收发器而言，实现平坦增益曲线可能具有挑战性。图1所示的简化接收器信号链包括一个低噪声放大器(LNA)和两个RF放大器。
图1：具有典型频率响应滚降的简化RF信号链。
三个放大器的带宽和负增益特性会影响整个系统增益和带宽。为简化起见，假设所有三个模块都具有相同的增益和带宽，总体增益与频率的关系曲线将与图1类似。实际上，各个放大器的增益和带宽会不尽相同，因此它们每一个都会在整个频率范围内产生增益误差。设计人员通常使用两种标准技术来补偿这种增益滚降。第一种是在信号链中使用固定均衡器来使增益响应平坦化，但这种方法会增加衰减，其频率响应斜率与增益斜率大致相反。第二种技术是使用在所需带宽上具有正增益斜率的放大器。
固定均衡器由于具有准确的衰减斜率值，因此有助于管理RF信号链中的负增益斜率。这使设计人员可以选择衰减斜率与系统增益斜率相匹配的器件，以生成所需的整体系统频率响应。然而，使用均衡器需要考虑几项权衡。首先，虽然它们有助于使频率响应曲线平坦化，但却会降低整个信号链增益。其次，在RF信号链中添加均衡器，会对RF接收器的噪声系数产生负面影响。最后，如果在功率放大器附近实施均衡，则发射器的输出功率将会降低。
对于RF系统而言，如果之前考虑的权衡难以解决，那么最好使用通过增益补偿而不是衰减所实现的增益平坦化技术。正增益斜率放大器可以使RF接收器保持增益、噪声系数和动态范围的整体信号链性能，同时满足整个频率范围内的增益平坦度规范。在发射器层面，该放大器可以在不降低功率放大器输出功率情况下使频率响应平坦化。图2说明了典型宽带接收器和正增益斜率放大器的组合增益响应，显示了该复合响应的平坦效应和总增益的增加。
图2：使用正斜率放大器补偿滚降。
CML Microcircuits公司的CMX90G301是正增益放大器的一个范例，它可以消除各种通用无线RF应用中的无源均衡器。这种低功率单片微波集成电路(MMIC)增益模块，可以被轻松级联到工作频率范围为1.4~7.1GHz的RF信号链中，而提供+1dB的正增益斜率和14.5到15.5dB之间的小信号增益(图3)。
图3：CMX90G301应用电路。
该MMIC具备高集成度，能够最大限度减小元器件数量和PCB面积，并且RF端口还通过隔直电容器在片上实现了50Ω电阻匹配。有源偏置电路还使该器件能在2.7~5V的宽电源电压范围内工作，其典型工作电流为20mA。该放大器基于GaAs pHEMT器件，可同时实现低直流功率、低噪声指数(2dB)和高增益。CML的另一款MMIC CMX90G302则可用于需要更多增益斜率补偿(+2dB)应用。
图4：CMX90G301的增益和噪声曲线。
负增益斜率是宽带收发器信号链的常见特征。虽然RF设计人员可以使用无源均衡器来补偿这种高频滚降，但它们也会带来一些权衡，而使得该方法不适合于某些应用。CMX90G301和CMX90G302等正增益斜率放大器则提供了一种替代方法，它们能带来很多好处，包括更小的解决方案尺寸、易于设计和低噪声。
（CML Microcircuits公司供稿，参考链接：Understanding Equalization When Compensating for High-frequency Roll-off in Your 5G Designs。）
本文为《电子技术设计》2023年4月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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