性能，微型化和更高頻率運(yùn)行的推動(dòng)正在挑戰(zhàn)無線系統(tǒng)的兩個(gè)關(guān)鍵天線連接元器件的限制：功率放大器（PA）和低噪聲放大器（LNA）使5G成為現(xiàn)實(shí)的努力，以及PA和LNA在VSAT端子，微波無線電鏈路和相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中的使用促成了這種轉(zhuǎn)變。

這些應(yīng)用的要求包括較低噪聲（對(duì)于LNA）和較高能效（對(duì)于PA）以及在高達(dá)或高于10 GHz的較高頻率下的運(yùn)行。為了滿足這些日益增長的需求，LNA和PA制造商正在從傳統(tǒng)的全硅工藝轉(zhuǎn)向用于LNA的砷化鎵（GaAs）和用于PA的氮化鎵（GaN）。

LNA的靈敏作用

LNA的作用是從天線獲取極其微弱的不確定信號(hào)，這些信號(hào)通常是微伏數(shù)量級(jí)的信號(hào)或者低于-100 dBm，然后將該信號(hào)放大至一個(gè)更有用的水平，通常約為0.5到1 V圖1）。具體來看，在50Ω系統(tǒng)中10μV為-87 dBm，100μV等于-67 dBm。

利用現(xiàn)代電子技術(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)這樣的增益，但LNA在微弱的輸入信號(hào)中加入各種噪聲時(shí)，問題將遠(yuǎn)不是那么簡單.LNA的放大優(yōu)勢(shì)會(huì)在這樣的噪聲中完全消失。

注意，LNA工作在一個(gè)充滿未知的世界中。作為收發(fā)器通道的前端，LNA必須能捕捉并放大相關(guān)帶寬內(nèi)功耗極低的低電壓信號(hào)以及天線造成的相關(guān)隨機(jī)噪聲。在信號(hào)理論中，這種情況稱作未知信號(hào)/未知噪聲難題，是所有信號(hào)處理難題中最難的部分。

LNA的主要參數(shù)是噪聲系數(shù)（NF），增益和線性度。噪聲來自熱源及其噪聲源，噪聲系數(shù)的典型值為0.5 - 1.5 dB。單級(jí)放大器的典型增益在10 - 20 dB之間。一些設(shè)計(jì)采用在低增益，低NF級(jí)后加一個(gè)更高增益級(jí)的級(jí)聯(lián)放大器，這種設(shè)計(jì)可能達(dá)到較高的NF，不過一旦初始信號(hào)已經(jīng)“增大”，這樣做就變得不那么重要。

LNA的另一個(gè)問題是非線性度，因?yàn)楹铣芍C波和互調(diào)失真可以接收到的信號(hào)質(zhì)量惡化，在位誤差率（BER）相當(dāng)?shù)蜁r(shí)使得信號(hào)解調(diào)和解碼變得更加困難。階段調(diào)調(diào)點(diǎn)（IP3）作為線性度的特征化參數(shù)，將三線非線性項(xiàng)引起的非線性乘積與以線性方式放大的信號(hào)關(guān)聯(lián)在一起; IP3值越高，放大器性能的線性度越好。

功能和能效在LNA中通常不屬于首要問題。本本質(zhì)而言，絕大多數(shù)LNA是功耗相當(dāng)?shù)颓译娏飨脑?0 - 100 mA之間的器件，它們向下一級(jí)提供電壓增益，但不會(huì)向負(fù)載輸送功率。此外，系統(tǒng)中僅采用一個(gè)或兩個(gè)LNA（后者常用于Wi-Fi和5G等接口的多功能天線設(shè)計(jì)中），因此通過低功耗LNA節(jié)能的意義不大。

除工作頻率和帶寬外，各種LNA相對(duì)來講在功能上非常相似。一些LNA還具有增益控制功能，因此能夠應(yīng)付輸入信號(hào)的寬動(dòng)態(tài)范圍，而不會(huì)出現(xiàn)過載，飽和。在基站至手機(jī)通道損耗范圍寬的移動(dòng)應(yīng)用中，輸入信號(hào)強(qiáng)度變化范圍如此之寬的情況會(huì)經(jīng)常遇到，即使單連接循環(huán)也是如此。

PA驅(qū)動(dòng)天線

與LNA困難的信號(hào)捕獲挑戰(zhàn)相反，PA則是從電路中獲取相對(duì)強(qiáng)的信號(hào)，具有很高的SNR，必須用來提高信號(hào)功率。與信號(hào)有關(guān)的所有通用系統(tǒng)均已知，如幅值，調(diào)制，波形，占空比等。這就是信號(hào)處理圖中的已知信號(hào)/已知噪聲象限，是最容易應(yīng)對(duì)的。

PA的主要參數(shù)為相關(guān)頻率下的功率輸出，其典型增益在+10至+30 dB之間。能效是PA參數(shù)中僅次于增益的又一關(guān)鍵參數(shù)，但是使用模型，調(diào)制，占空比，允許失真度以及受驅(qū)信號(hào)的其它方面會(huì)使用任何能效評(píng)估變得復(fù)雜.PA的能效在30到80％之間，但這在很大程度上是由多種因素決定的。線性度也是PA的關(guān)鍵參數(shù)，與LNA一樣用IP3值判定。

盡管許多PA采用低功耗CMOS技術(shù)（最高約1至5 W），但在最近幾年里，其它技術(shù)業(yè)已發(fā)展成熟并被廣泛應(yīng)用，在考慮將能效作為電池續(xù)航時(shí)間和散熱的關(guān)鍵指標(biāo)的更新高效率水平的情況下，尤其如此。在需要幾個(gè)瓦特或更高功率的情況下，采用氮化鎵（GaN）的PA在更高功率和頻率（典型值為1 GHz）下具有更優(yōu)能效。尤其是考慮到能效和功率耗散時(shí)，GaN PA極具成本競(jìng)爭力。

無論使用哪種PA工藝，器件的輸出阻抗均必須由供應(yīng)商進(jìn)行充分特征化，使設(shè)計(jì)人員能將該器件與天線正確匹配，實(shí)現(xiàn)最大的功率傳輸并盡可能保持SWR一致。匹配電路主要由電容器和電感器構(gòu)成，并且可實(shí)現(xiàn)為分立器件，或者制造為印刷電路板甚至產(chǎn)品封裝的一部分。其設(shè)計(jì)還必須維持PA功率水平。再次重申，史密斯圓圖等工具的使用，是理解并進(jìn)行必要的阻抗匹配的關(guān)鍵。

鑒于PA較小的芯片尺寸和較高的功率水平，封裝對(duì)PA來說是一個(gè)關(guān)鍵問題。如前所述，許多PA通過寬的散熱封裝引線和法蘭支撐以及封裝下的散熱片散熱，作為在較高功率水平（約高至5至10 W），PA可以有銅帽，使散熱器可以安裝在頂部，并且可能需要風(fēng)扇或其它先進(jìn)的冷卻技術(shù)。

當(dāng)然，PA本身保持在允許的情況或結(jié)溫范圍內(nèi)是不夠的。從PA散去的熱量不能給電路和系統(tǒng)其它部分帶來問題。必須考慮處理和解決整個(gè)熱路徑。

從智能手機(jī)到VSAT端子和相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)等基于射頻的系統(tǒng)正在推動(dòng)LNA和PA性能的極限。這使得器件制造商不再局限于硅，而是探索GaAs和GaN以提供所需的性能。

這些新的工藝技術(shù)為設(shè)計(jì)人員提供了帶寬更寬，封裝更小，能效更高的器件。不過，設(shè)計(jì)人員需要了解LNA和PA運(yùn)行的基礎(chǔ)知識(shí)，才能有效地應(yīng)用這些新技術(shù)。