使用前置濾波器LNA模塊改善同步操作GPS的接收器靈

前言

隨著(zhù)時(shí)代的演進(jìn)，移動(dòng)電話(huà)已因加入如WiFi、藍牙和GPS等無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)變得越來(lái)越復雜，而越來(lái)越多的無(wú)線(xiàn)信號也令設計工程師必須利用強大的濾波技術(shù)來(lái)避免手機設計中面臨的干擾問(wèn)題，特別是全球定位系統(GPS)功能。

對于同步全球定位系統S-GPS，GPS信號的接收以及語(yǔ)音或數據信號的傳送會(huì )在手機中同時(shí)發(fā)生，而語(yǔ)音或數據發(fā)送信號可能會(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。這給手機設計工程師帶來(lái)了強大的挑戰，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(shí)還得面對語(yǔ)音或數據發(fā)送信號的干擾。這就需要一個(gè)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(lái)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或插入損耗主要取決于接收器鏈的噪聲系數，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，設計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(xiàn)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)陡峭滾降濾波和強固帶外抑制能力的專(zhuān)有技術(shù)，通過(guò)集成濾波器，模塊可以屏蔽接近1.575GHz GPS信號的干擾信號，并維持放大器的低噪聲系數。作為范例，衛星電話(huà)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(gè)具有陡峭滾降濾波能力的濾波器來(lái)屏蔽信號而不會(huì )顯著(zhù)衰減帶內的GPS信號。

由于噪聲系數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(lái)具有極低噪聲系數和高帶外屏蔽能力的最佳GPS接收器。

射頻性能表現

表１中總結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，前兩個(gè)模塊在第一級電路集成一個(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)品的射頻性能表現和簡(jiǎn)化功能框圖。

由表1我們可以看到，前兩個(gè)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(zhù)模塊可以在強大干擾信號下正常工作，不會(huì )造成放大器飽和。

測量和測試配置

為了進(jìn)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，以下的比較顯示了表1中三個(gè)模塊在干擾信號情況下的屏蔽能力。測量通過(guò)監視模塊噪聲系數在特定功率水平干擾信號下的劣化情形進(jìn)行，在測量中使用接近GPS頻率，可能對GPS頻率噪聲系數影響最大的1.62GHz干擾信號。圖2為進(jìn)行測量的測試配置。

圖１ GPS 接收器(Rx)前端的簡(jiǎn)化功能框圖

圖2 測量出現干擾信號下噪聲系數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。

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

在干擾信號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，噪聲系數分析儀可以監視并接收極低本底噪聲的信號，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的測量。為了保證噪聲系數的測量不會(huì )包含額外的本底噪聲，配置中使用濾波器衰減GPS頻率的干擾信號以抑制信號和噪聲。

如前所討論，要使測試正確且精密進(jìn)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(gè)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(gè)串接陷波濾波器和帶通濾波器的頻率響應，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(jìn)入噪聲系數分析儀，幫助分析儀避免受到強大干擾信號影響而過(guò)載。

測量結果討論

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

圖4 噪聲系數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的劣化就超過(guò)1dB，而ALM-1912和ALM-2712模塊則在噪聲系數上沒(méi)有影響，甚至當干擾信號的功率水平達到20dBm時(shí)也沒(méi)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(zhù)更好的抑制能力，在這個(gè)例子中，測量數據顯示，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。

結論

總的來(lái)說(shuō)，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性能表現，FBAR濾波器的低插入耗損對于放大器噪聲系數的影響最小，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可以節省電路板空間和設計完成時(shí)間。