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群英讲堂 | 英飞凌GNSS低噪声放大器产品概览

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低噪声放大器(LNA)广泛应用于在全球导航卫星系统(GNSS)中,包括个人导航设备、手机、平板电脑、手表等穿戴设备。。。

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戚芸洁

英飞凌大中华区消费、计算与通讯业务

高级主任工程师


低噪声放大器(LNA)广泛应用于在全球导航卫星系统(GNSS)中,包括个人导航设备、手机、平板电脑、手表等穿戴设备。低噪声放大器在改善接收系统信号的信噪比,提升系统接收灵敏度、提升系统定位精度和速度等方面起到了重要作用。同时,随着穿戴设备的普及,市场对低噪声放大器的低功耗要求也越来越高。超低功耗的低噪声放大器在设计时平衡了噪声系数和增益的同时,极大地减小对系统功耗的需求,从而延长了穿戴设备的电池使用寿命。


英飞凌提供了一系列品类齐全的GNSS LNA产品,帮助客户实现更优的系统噪声系数、更低的系统功耗以及更短的定位时间。该系列产品具有如下优势:



小封装和高集成度:

英飞凌GNSS LNA均采用TSNP-9-2封装(1.1mm*0.7mm),而且芯片内部集成了输入、输出匹配以及ESD保护电路。这些高集成度的设计为客户方案节省了信号损耗、PCB面积。小型化设计也非常适合个人穿戴、Wi-Fi、智能手机等个人电子设备。



场内硅锗(SiGe)工艺:

英飞凌GNSS低噪声放大器采用了场内硅锗(SiGe)工艺,相比于CMOS工艺,硅锗能够提供更低的噪声系数,同时优化整体LNA的射频性能。而相较于砷化镓(GaAs)工艺,硅锗工艺提供了性能相仿而性价比更好的产品。



丰富的产品形态:

英飞凌GNSS低噪声放大器产品形态齐全,覆盖超低功耗LNA、高线性度LNA等多种应用需求,如表1。以下将根据英飞凌GNSS LNA产品聚焦的应用,分别介绍几类GNSS产品的特点。


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表1 英飞凌GNSS LNA在1.8V供电电压下的射频性能汇总


1   高线性度GNSS LNA:BGA824N6

GNSS卫星的轨道高度距离地球超过20,000公里, 发射功率在50W(即47dBm)左右。考虑到大气损耗、路径衰减以及天线效率,在GNSS接收机输入端的信号水平是极其微弱的,基本在-130dBm的范围。GNSS接收机是否能恢复如此微弱的信号强度并且向最终用户提供有意义的信息,这在很大程度上取决于GNSS接收机前端链路的噪声系数。


一颗高增益低噪声的LNA可以改善GNSS接收机的灵敏度,在系统上体现为更短的首次定位时间(Time to First Fix),即GNSS接收机第一次捕获卫星信号和导航数据,进而计算位置信息所需要地时间。BGA824N6的噪声系数仅为0.55dB,同时可以提供17dB的高增益,进而对整个系统的灵敏度提升有极大的裨益。


随着终端设备集成越来越多的功能,许多不同制式的通信模块需要同时工作。为保证系统的正常运行,不同通信模块需要将彼此的相互干扰减小到最低。下面我们以GNSS接收机和GSM/LTE/UMTS等频段同时并行工作为例,阐述下高线性度LNA对提高系统共存性能的原理。


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图1 BGA824N6在GSM/LTE和GPS共存场景


图1是使用BGA824N6在手机蜂窝场景中的框图。假设PCS 1900MHz阻塞信号工作在f1=1851MHz,发射功率为30dBm,同时LTE Band3发射信号工作在f2=1713MHz,发射功率为24dBm。这两个GPS带外干扰信号产生的三阶交调信号频率为


2×F2-F1=2×1713-1851=1575MHz


该三阶交调信号正好落入GPS带内,而该干扰信号的幅度极大程度上取决于GPS前端LNA,即BGA824N6的线性度。


假设PCS 1900MHz干扰信号距离GPS接收机的距离为1m,GPS接收天线在PCS频段的天线增益为-6dBi,则在1m的自由空间损耗后,在GPS第一级BPF接收到的PCS信号强度为-13.8dBm;同时如果LTE发射天线和GPS接收天线的隔离度为15dB,滤波器对带外阻塞信号的衰减幅度在40dB以上,则在BGA824N6输入端看到的干扰信号幅度为:-53.8dBm的PCS阻塞信号和幅度为-31dBm的LTE Band2阻塞信号。


相应地,在LNA输入端产生的交调信号幅度为:-129.8dBm。在GPS信号幅度为-130dBm的弱信号下,其J/S仍可达到42.8dB,远高于GPS接收机对窄带干扰信号解调的解调门限要求。


2   超低功耗GNSS LNA:BGA123N6 & BGA125N6

随着经济不断地发展,人们越来越多地将目光关注到自身健康和生活品质。相应地,可穿戴手环、手表等个人无线设备被广泛地应用于监测个人健康情况、位置信息等应用。而这些系统应用所面临的一个主要挑战即如何减小设备尺寸同时延长设备的待机时间。得益于人们对于RF电路设计不断地优化,比如亚阈值区域(subthreshold region)和Gm-Boosting等技术,LNA能够工作在更低的电压和电流范围。


下面详细介绍我们英飞凌针对于锂电池等穿戴设配研发的的超低功耗GNSS LNA:BGA123N6和BGA125N6。BGA12XN6 LNA可以工作在1.2V低电压区域,整体功耗控制在1.5mW水平,从实际测试情况看到使用BGA12XN6可以提高系统GPS定位精度到cm范围,同时大幅缩短TTFF定位时长。表2详细罗列了BGA12XN6的关键技术指标。


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表2 BGA123N6和BGA125N6射频性能汇总


那为什么我们英飞凌要基于L1和L5的频段开发两颗双频段LNA?在系统应用上,双频段LNA又有什么优势呢?


回答这个问题之前,我们先了解下GNSS导航系统是如何工作的。


GNSS 使用卫星、接收器和算法向地球上任何地方的 GNSS接收器提供时间和地理位置信息。在没有遮挡的环境中,接收机(如智能手机终端)可以在三颗GNSS卫星的帮助下生成位置信息,而第四颗卫星可以验证位置信息的准确性。然而,依赖于单一频率(称为 L1 频段)的传统 GPS 可能会受到各种因素的影响。L1信号不能绕过大型物理结构,如山脉或高层建筑,也可能受到电离层中茂密的树叶或噪声带宽失真的影响。物理环境可能导致信号采用更长的路径,从而导致多径错误。功能正常时,单频 GPS 可以提供最远5米的准确位置。


先进的双频技术旨在通过使用 L5 频段来克服信号处理问题。由于 L5频段为航空安全服务保留的无线电频段,因此它通过先进的信号设计为客户提供更大的带宽和更高的功率。通过将L5与 L1频段配对,L5 波段可提供更可靠的位置识别,并具有厘米级精度。下图是双频接收系统的前端接收框图以及对系统定位精度的提升。


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图2 支持L1和L2-L5双频接收的前端设计框图


总结一下英飞凌的超低功耗BGA123N6+BGA125N6的解决方案,具有

  • 缩短系统的TTFF定位时间

  • 延长电池使用时长

  • 尤其适合穿戴设备或者使用小型电池设备的装置和IoT应用

  • 保证最高的信号质量


3   宽带GNSS LNA:BGA525N6

许多GNSS LNA可以通过调谐输入端的匹配器件将GNSS LNA分别应用于L1和L5频段,从而提高系统的定位精度。英飞凌BGA525N6是一颗宽带GNSS LNA,即LNA在同一个输入匹配下可以覆盖L1和L2-L5频段的工作。图3和表3分别是BGA525N6典型应用电路以及主要性能指标。


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图3 宽带GNSS LNA BGA525N6的典型应用电路


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表3 BGA525N6在高/中/低增益模式下主要的射频性能指标


从典型应用电路可以看到,BGA525N6只需要一颗输入匹配就能实现宽带匹配,覆盖1160MHz-1610MHz。另外,BGA525N6提供了三种增益模式来满足不同应用场景下对电流、增益、线性度要求。更重要的是,由于BGA525N6单颗LNA可以同时支持L1-L5/L2的双频段的接收的能力,这极大地减少了PCB布局的面积。图4是一个采用两颗常规GNSS LNA实现双频段和采用单颗BGA525N6实现双频段的系统框架图和BOM的比对。可以看到英飞凌宽带GNSS LNA不仅节省了PCB的布板面积和BOM成本,而且提供了更低的系统电流。尤其在可穿戴设备,如手表等产品,受限于产品的面积和电池的容量,宽带GNSS LNA既保证了系统定位精度,而且也极大地优化了电流和尺寸。


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图4 宽带GNSS LNA BGA525N6和传统窄带GNSS LNA的系统框图和BOM比对


4   带有By-Pass功能的GNSS LNA:BGA5M1BN6

于一些支持GNSS有源天线模组的前端接收链路设计时,需要考虑到有源天线额外的增益对整个链路的影响。集成By-Pass模式的GNSS LNA可以让接收链路设计时既保证了动态范围,而且也能适应不同场景的使用需求,即:在有源天线工作时,GNSS LNA切换到By-Pass增益模式;当模组不使用有源天线时,GNSS LNA切换到增益模式工作。


 图5是支持双频段L1和L5同时集成By-Pass功能的前端GNSS LNA接收链路方案。


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图5 支持Bypass功能的双频段GNSS LNA前端接收方案


BGA5M1BN6设计之初是为了提高信号在LTE频段(1805-2200MHz)的接收信号,但通过调谐输入匹配器件,BGA5M1BN6也可以应用在GNSS L1频段。其主要射频性能参数在VCC=1.8V如表4:


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表4 BGA5M1BN6在增益模式和Bypass模式下主要射频性能汇总(VCC=1.8V)


可以看到在高增益模式下,LNA提供了最优的噪声系数来提高系统灵敏度。在Bypass模式下,LNA会以低电流形式工作。集成Bypass功能的LNA可以提高整个系统的动态范围,从而使得前端设计能满足不同应用场景的需求。


5   小结

英飞凌GNSS LNA依靠自身场内SiGe工艺研发和量产了一系列的GNSS LNA产品来满足不同的应用需求,产品性能卓越,在智能手机终端、穿戴设备、IoT等领域都有广泛的应用。


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