低噪声放大器在手机GPS上的应用

低噪声放大器在手机GPS上的应用

早在2001年911恐怖事件以后，美国基于安全的考虑，强制要求手机具有GPS定位功能，以确定该手机的实时位置。近年来，随着我国基础建设的迅猛发展，道路建设日新月异；人们工作生活节奏加快，GPS导航定位系统日显重要，需求增加。最近有消息称：诺基亚高调宣布为其智能手机推出了Ovi地图新版本，将包括高端的步行和驾驶导航。此举被视为对GPS手机导航产业以及GPS导航相关产业影响巨大的变革。随着手机性能的普遍提升，以及手机GPS接收机独特问题的解决，GPS功能已不再是高端手机独享的配置，正在向普通手机标配发展。

GPS功能简介

GPS全称为全球定位系统，由24颗卫星分布在6个不同高度的轨道上，按功能分有导航和定位两个；按应用分军用和民用。其中军用频率在1.227GHz ，由美国军方独占，用途主要用于武器制导，侦查等军事和战争用途，精度高。民用频率在1.575GHz，供全球免费使用，用途主要用于海航，自然科学领域，更广泛的是我们熟悉的汽车行驶导航等。只有同时接收到3颗星的有效信号才能确定其位置。
 GPS信号微弱，接收机灵敏度通常在-136dBm左右。

手机GPS的挑战

手机应用的特点：体积小，功耗低，生产性好，器件便宜，设计时间短，产品面市快。基于手机平台的GPS功能比独立GPS接收机有更高的要求，更具有挑战性，主要考虑以下几个方面：电子环境，功耗，体积，价格，设计时的便捷性和性能指标的容易实现性。

常见的单片GPS接收机采用CMOS工艺，达不到很高的收机灵敏度。相比汽车行驶在比较宽阔空间的路面上，手持GPS比车载的移动更灵活，所处位置信号会更弱，多径接收更普遍。要求接收能力更强，在接收前端增加滤波器和低噪放非常必要。

手机上的GPS 设计之考虑

电子环境更恶劣。GPS 接收和手机功放在同一块板上，对1.575GHz GPS信号而言其带外信号主要有：900MHz,1800MHz 的GSM 功放；1800—1900MHz 的PCS功放；2.4GHz的 WLAN,蓝牙; 以及2.5—2.7GHz的WiMAX。这些信号虽不会同时存在，但每个都很强，对GPS接收性能都有明显影响。实验表明：-15dBm的带外信号，会引起GPS 低噪放增益下降1dB. 因此，选择手机GPS 低噪放时不仅要看其自身的噪声系数和增益，更要关注其带外衰减指标，这对GPS接收机的捕捉能力，跟踪性能和定位精度，乃至能否正常工作至关重要。

CDMA, WCDMA手机收发是双工工作的，其功放的发射信号和噪声会对GPS信号形成干扰乃至堵塞。因此，GPS接收机必须外加LNA和高性能的滤波器。LNA增加了其接收灵敏度，而滤波器则增强带外衰减。对设计布线上另一个好处是，LNA可放置在靠近天线端，降低对GPS接收模块位置的要求，并使GPS接收机噪声系数得到1.5dB左右的改善。然而，由于GSM手机收发是时分工作的，相对而言对GPS信号的带外衰减要求不是很苛刻，可以省掉高性能的滤波器，用简单地滤波加低噪放方案来实现GPS接收前端，以节省成本。

针对不同的系统和平台，目前，手机GPS接收前端有几种方案：

--在GMS系统上，选择有源天线，即低噪放和GPS接收天线集成在一起；

--在CDMA, WCDMA系统上，有分立的低噪放加滤波器，二种器件所采用的材料和性能都有选择余地。以上方案这对设计时间，设计难度，性能指标，PCB尺寸以及元件数都是挑战。

随着市场需求的变化，滤波器和低噪放集成在一起的GPS接收前端得到了广泛的应用，其好处显而易见。和分立器件一样，二者有不同的组合：LNA+陶瓷滤波器或 LNA+SAW(声表面波滤波器)。在市场上， 性能以CaAs E-pHEMT+FBAR方案为最优：噪声小，线性更好，带外衰减更好。

Avago 公司致力于GPS接收前端模块

Avago 结合行业领先的CaAs E-pHEMT工艺和FBAR滤波器技术，提供GPS射频前端系列模块，为GPS外加低噪放前端提供了多种选择，详见图1，3，4，5所示，结构有： Filter + LNA + Filter; Filter + LNA; LNA + Filter; 或单纯的LNA，在规划和设计这些产品时Avago充分考虑了其应用环境，是手机GPS接收设计上的首选。

CaAs E-pHEMT低噪放的特点

相比其他材料和工艺，CaAs E-pHEMT的优势主要在于：噪声系数低，是低噪放的首选；低工作电压下线性高，提高接收机动态范围，有利于后续信号的混频和解调；增益高乃是放大器的价值所在。因此，CaAs E-pHEMT正是噪声系数，线性和增益三个低噪放重要指标的完美结合，这是Si材料低噪放很难达到的。

FBAR 滤波器的特点

陶瓷滤波能承受较大的功率，温度特性好，但器体积大，Q值不如FBAR的好；
SAW滤波器承受功率小，温度特差，Q值低，便宜。在一些指标要求不太高的手机上还有应用；

FBAR滤波器：性能好，体积小，易于集成。随着在手机上双工器，滤波器取代SAW的应用越来越多，其性价比已被大家所认同。
 
ALM-1712 GPS接收前端实例

下图1为Avago的ALM-1712产品，由两个FBAR滤波器和一个LNA组成，三级总的噪声系数为1.65 dB 。RF端ESD >3KV，省去外加ESD保护器件，节省空间和成本。低至1V 工作，可关断功能则满足了手机应用低功耗的要求，可变偏置则提供了在各个性能指标中得到一个理想的平衡。 封装为4.5(L)x2.2(W)x1(H) mm3，外围器件只有8个电阻，电容和电感器件。

 

图1：Avago  ALM-1712产品

下图2所示为在 Vdd = 2.7V, Idd = 8.0mA偏置下1.575GHz处的增益是12.8 dB； 线性IIP3 = +7 dBm,  IP1dB = +3 dBm，对900MHz的带外衰减高达95dBc，对1800MHz的带外衰减高达90dBc，有力地保证了在恶劣的电子环境下，GPS接收机发挥能良好的功能。ALM-1712很好地满足了手机GPS的特殊要求：电子环境，功耗，体积和成本要求以及设计时间和性能指标，这些对手机厂家的意义不言而喻。

 
图2

 
图3  



图4  



图5

下面是市场常见的两个型号的主要指标，在低噪放都采用CaAs E-pHEMT工艺的情况下，不难看出FBAR滤波器对PCS频段的抑制比SAW高出21dB( 63 vs. 42)
产品 ALM-1412 RFxxxx
结构 CaAs E-pHEMT + FBAR CaAs E-pHEMT + SAW
Gain(dB) 13.50  13.50
NF(dB) 0.82  0.85
IP1dB(dBm) 2.70  -2.00
IIP3(dBm) 7.00  9.00
Cell Band Rejection (dBc) 54.00  54.00
PCS Band Rejection (dBc) 63.00  42.00

附图1是Avago公司在GPS 接收前端产品线的发展路线图。不难发现，Avago公司对GPS接收机前端模块和低噪放市场非常重视，随着不同功能性能产品在GPS接收机上的广泛应用，Avago将继续推出更多满足市场的产品，详情可咨询Aavago亚太地区重要代理商世强电讯。
 

附图1：Avago科技GPS接收前端产品发展线路图

面向GSP, ISM和WiMAX市场, 最近Avago推出MGA-24106低噪放，继承了Avago 低噪放产品一贯的噪声系数，增益及线性指标的优势。在3.3V6mA偏置下,1.57GHz，噪声系数为0.87，增益为19.6dB, IP1dB为-8.7dBm, IIP3为-0.2dBm。 在低至1.8V电压下能正常工作。封装在1.5x1.2x0.5mm3，只需几个外围器件。在体积，功耗和低电压工作方面更高一筹，其价格更具有市场竞争力。在手持，移动终端无线设备上应用前景广阔。

附图2是手机用FBAR, SAW和陶瓷滤波器的性能比较。FBAR技术是Avago公司又一领先技术的产品线，在手机上的双工器，多工器和各种滤波器都占有很大的份额。
 

附图2：FBAR, SAW和陶瓷滤波器的性能比较。