LTE频段LNA+FC模块设计方案

LTELTE 频段频段 LNA+FCLNA+FC 模块设计方案模块设计方案拟制：拟制： 审核：审核： 标准化：标准化： 批准：批准： 发布日期发布日期： 修改记录修改记录版本号主要更改内容（写要点即可）更改理由拟制人/修改人拟制/修改日期V1.0首次发行初版王海峰V1.1在设计中增加对 WCDMA 输入2 载波-40dBm 的带内互调干扰的测试，要求输出电平变化小于 10dB升级测试方法王海峰V1.2原先设计中存在一个错误，第二个 ALM-38140 在进行温补的情况下，常温会有较大衰减，因此需要将其位置进行调整修改王海峰第 3 页 共 15 页目目 录录1概述.42技术要求.42.1电气性能要求.42.2模块结构及工作环境要求.52.3控制功能要求.53模块链路预算.63.1射频链路预算.63.2射频链路预算说明.84本振部分及其实现方案.104.1本振部分需求.104.2本振部分时钟选择.114.3本振部分的输出.115控制功能需求及实现方式.115.1控制功能需求及所需资源.115.2MCU 的选择.125.3模块的 ALC 控制.125.4模块的 485 控制.126模块电源的分配.126.1模块电源需求.126.2电源芯片的选择.136.3模块电源开关实现方式.137模块可能问题分析.137.1温度漂移问题.137.2高低温增益变化.147.3带内波动及带外杂散.148附件：新器件规格书.14第 4 页 共 15 页1 1概述概述本设计方案主要针对 26002700MHz LTE 频段中，任意 15MHz 带宽内的一个工作频段。要求 LNA 部分能够支持宽频段的工作，FC 部分能够通过对锁相环的配置，来实现不同频段的选择。要求模块能够通过更换器件的方式，实现从 CDMA800M 到 LTE2700M 频段的公用，因此需要在器件的选用上需要考虑更多的因素。由于存在通用性的问题，因此在部分指标上，需要进行折中，以达到最佳性价比。2 2技术要求技术要求2.1电气性能要求电气性能要求表 2-1 模块电气性能要求ParameterSpecificationRemarkFrequency Band26202690MHz25552570MHzOutput Power & Adjust Range0dBm;10dBOutput Power Flatness0.5dB3dB Bandwidth15MHzGain50 1.0dB Pout=0dBmGain Variation over Temp. 1.0dB over -20C +60CGain Dynamic Range & Accuracy31.5dB;1dBPort Return Loss18dBNoise Figure2.5dBAtt set -15dB ,NF 7.5dBEVM4%PCDE40dBIM375dBc per tone -8dBmAlc upper 20dB IM3 Hold ALC Depth 30dBALC TypeSlot ControlAnalog Attenuation Control15dBPower SupplyDC 9 12Vwithout damage14VCurrent ConsumptionMax. 0.9AMax RF Input Power+10dBmwithout damage in 3minutes第 5 页 共 15 页2.2模块结构及工作环境要求模块结构及工作环境要求表 2-2 模块工作环境及外观要求ParameterSpecificationRemarkDimension ( Body )100(W) * 140(D) * 25(H) mmColorWhite Chromate RF Input ConnectorSMA FemaleOutput ConnectorSMA-type Female5*2PIN Box Header for MCU programI/O Connector90Right Angel 2*2PIN 2.0mmDC ConnectorFeedthough CapacitorScrew Threaded StyleCoolingExternal HeatsinkOperating Case Temperature-20C +60CStorage Temperature-40C +85CRelative humidity5 95% (Non Condensing)2.3控制功能要求控制功能要求表 2-3 模块控制功能要求ParameterSpecificationRemarkContact TypeRS485；9600kpsAttenuation31dB1dB StepALC Depth Alarm30dBAGC Control Voltage OutputAGC EnableLNA Faile alarmTTLAnalog Attenuation Control15dBPLL AlarmPLL UnlockedTTLModule SwitchON/OFF第 6 页 共 15 页3 3模块链路预算模块链路预算3.1射频链路预算射频链路预算第 7 页 共 15 页第 8 页 共 15 页3.2射频链路预算说明射频链路预算说明为考虑兼容性和模块端口驻波指标，选用 MGA-632P8 作为 LTE 频段的低噪管。对于 1.5GHz 以下的频段，可以选用 MGA-631P8。同时为了方便物料的备件与替换，Skyworks 的 SKY67101-396LF 和 SKY67102-396LF两种型号，可以进行替换。为满足模块端口最大输入+10dBm 的条件，以及 ETSI 中额定输入+20dB 互调不恶化的要求，为达到最佳性价比，在对噪声指标进行一定的恶化的条件下，选择 LNA+VGA+DA 的链路架构。VGA 选用低插损的 ALM-38140，避免噪声的过多恶化。VGA 之后的第一个推动级，主要是为了有足够大的增益来满足后级的噪声指标，以及有足够大的线性来满足 3GPP FDD 中对输入互调指标的要求。对 LTE 频段，选择 MGA-31489；对于 1.5GHz 以下的频段，选择MGA-31389。为达到指标的要求，对链路架构进行一定的改变，减少进入 IF SAW 之前的放大管的级数，并适当提高单级的增益，虽然会对噪声有一定的恶化，但在合理选择器件的情况下，能够满足模块的指标要求。RF SAW 选择 3.0*3.0 封装的通用的产品，以便实现各个频段的通用性。混频器选择 HITTITE 的无源混频器，可以在 PCB 上实现公用。中频部分的放大管，选用 SGA-6489。对于中频部分，不同制式的，可以选用相同的中频架构，不过需要预先在射频部分呢预留一定的 Pi 衰的调整位置，方便对前级的增益进行微调。IF SAW 首先考虑 3512 封装的，并预留 2712 封装的位置，根据实际频段的需求，来使用合适的器件。综合以上因素，对 IF SAW 之前的链路的计算结果如下：第 9 页 共 15 页从上面的计算结果中，可以看出输入互调干扰信号在带内产生的信号电平在经过 IF SAW 之后，约为-100.5dBm，在经过 IF SAW 之后放大后，幅度约为-100.5+39.5=61dBm。模块自身在 1MHz 的 RBW 的测试条件下，底噪约为-174+50+2+60=-62dBm。则互调产物相对原先底噪，恶化约 1dB，满足 3GPP FDD 的要求。IF SAW 输出到第二个混频器之间，仍处于中频频段。为改善模块的噪声指标以及减少对高频段高增益高线性放大管的需求，因此在中频部分使用两个推动级放大管，同时能够改善模块的本振泄露指标。中频部分的放大管，有 SGA-6489 和 SGA-6289 两种，为保证具有一定的设计增益富裕，两者各用一级，由于 SGA-6289 的线性和 S22 参数稍好，因此将其用于后级。SGA-6289 的输出端，使用与第一级混频器相同的混频器。此种类型的混频器，一般具有大于 25dB 的 LO 到RF 的抑制。其要求的 LO 功率为+17dBm，则其在射频频段上输出的本振功率约为-8dBm。在混频器之后的有效增益约为 21dB，一般单个射频声表对偏离 140MHz 或者 70MHz 的抑制约在 40dB。为满足本振泄露水平低于-60dBm的水平，至少需要两级射频声表来滤波。为避免因器件一致性不好带来的偏差，在链路上设计三个射频声表的位置。针对不同制式，在第二个混频器之后，预留一定的 LC 滤波器的位置，来实现对高次谐波的抑制。随后是一级射频声表。在射频声表面之后，为另一个 VGA。该 VGA 主要用来实现对模块增益的调节。将该 VGA 置于此处，主要是为了避免将其放于前级的时候，调整其增益时会对模块的噪声造成太大影响。将其放于此处，也可以在将模块增益设置为 40dB 的时候，模块的整体互调指标能够满足-75dBc-10dBm output 的要求。计算结果如下：第 10 页 共 15 页在此之后为一个推动级，该推动级需要满足高增益、高线性的需要，由于在较高频度，因此选用 MGA-31489。在其之后，为预留的一个 RF SAW 的位置，在 RF SAW 之后，为一个 DATT 部分，将该数控衰减器置于此处，主要是为了考虑在增益回退的情况下的噪声系数，并且将该级使用数控衰减器，能够达到一定的链路增益调整的目的。数控衰减器选用 HMC624。该型号的器件，能够支持从 DC-6GHz。在 DATT 之后，为一级 RF SAW 以及一定的 Pi 衰，主要用来改善模块的输出线性以及对末级进行更好的匹配，使其能够达到更佳的 S22 参数。为满足整个模块输出 0dBm 互调大于 55dBc 的目的，末级选用 MGA-31489，同时也能较好的减少模块中所用器件型号。如有其他更改线性要求，可以通过更改 Pi 衰以及更换末级来达到。4 4本振部分及其实现方案本振部分及其实现方案4.1本振部分需求本振部分需求该模块分为上下行两个频段，要求两个频段能够公用 PCB 和其中的大部分元器件，因此，在本振部分，需第 11 页 共 15 页要两个封装以及控制方式相同的频综，并要求两个频综在输出信号的杂散上，具有大致相等的水准。根据频点的初步要求，模块上行频段为 25002570MHz，下行频段为 26152685MHz。模块的下行链路，使用高本振的方式，上行链路，使用低本振的方式。由于中频的频点选择为 140MHz，则所需要的本振的中心频点分别为 2395MHz 和 2790MHz。因此选用的频综芯片为 SNCPS3-2420 和 SNCPS3-2770。4.2本振部分时钟选择本振部分时钟选择根据所用的频综芯片的要求，需要使用的参考时钟的频率为 10MHz，由于频综输出的本振信号的频率较高，因此需要选用一个相噪指标较优的晶振，并且为了减少模块上所用的电源芯片的数量，因此选用TVCTCLSANF 5032 SMD TCXO 10.000000MHz 的晶振作为频综的参考源。4.3本振部分的输出本振部分的输出频综的本振输出功率为 6dBm 左右，但是混频器所需的功率为+17dBm，因此需要对本振的输出功率进行放大。为保证频综功率的纯净，最好是能在频综的输出信号之后使用一个声表或者介质滤波器，但在无合适滤波器的情况下，也可以初步进行一定的 LC 滤波。频综的输出功分直接使用三个电阻进行功分，由此会损失一定的功率。本振信号的功率放大，使用 SBB-5089Z 作为放大级，其输出的 P1dB 在 18dBm 左右，能够满足混频器的功率需求。5 5控制功能需求及实现方式控制功能需求及实现方式5.1控制功能需求及所需资源控制功能需求及所需资源模块的控制功能主要包括以下几个部分：1、射频链路上数控 ATT 的控制：MCU 三路 IO 口2、ALC 的设置控制功能：一路 DA 口3、频综芯片的控制：四路 IO 口4、485 通讯控制：两个专有串口，一个 IO 口5、模块输出功率检测功能：一路 AD 口6、模块输入过功率检测功能：一路 AD 口7、模块开关功能：一路 IO 口综上所述，总共需要的资源为：第 12 页 共 15 页IO 口：9 AD 口：2 DA 口：1 串口：两个5.2MCUMCU 的选择的选择MCU 的选择主要需要考虑以下几个方面：电压、功耗、内部存储资源、IO 口、AD/DA 资源、看门狗功能。选用目前常用的 c8051f410 作为模块的 MCU 部分。其余的部分诸如看门狗、外置时钟、外置存储器等部分，将根据程序的实际需求而添加。5.3模块的模块的 ALCALC 控制控制模块的 ALC 控制需要实现对时隙功率的控制，因此在检波方式上，需要使用肖特基二极管作为功率检测器。肖特基二极管的输入信号来源为通过电阻对模块的输出口进行耦合。肖特基二极管的输出电平，在经过一级运放放大之后，进入 MCU 作为模块的输出功率采样，同时进入下一级运放，在第二级运放上，通过与 MCU 的 DA 输出的 ALC 设置电压进行积分后，再经过一级运放做一个射随放大，之后将射随放大的电压作为 38140 的衰减控制电压。该电压将经过另一级运放射随放大，然后进行分压后，输入到 MCU 上做 AD 检测，作为 ALC 过功率的告警控制。5.4模块的模块的 485485 控制控制 模块的 485 通讯主要通过一个 485 转换芯片ZT13085E 来实现，该芯片采用办双工的方式与整机控制板之间进行通信。6 6模块电源的分配模块电源的分配6.1模块电源需求模块电源需求模块要求使用外部 DC+912V 供电，要求模块在供电电压为 DC+14V 的情况下无损，要求模块消耗电流小于 0.9A。模块内部初步估计总耗电电流如下表所示：表 5-1 模块内部功耗计算器件名称型号mga-632p8Alm-38140Mga-31489Sga-6489 *2Sga-6289Alm-38140第 13 页 共 15 页供电电压5V5V5V8V8V5V消耗电流70mA MAX23mA 84mA MAX166mA MAX83mA AMX23mA 器件名称型号Mga-31489hmc624Mga-31489频综sbb-5089zsbb-5089z供电电压5V5V5V5V5V5V消耗电流84mA MAX2mA84mA MAX50mA MAX92mA MAX92mA MAX器件名称型号TCXOMCU C8051F410OP AMP485 芯片 ZT13085E供电电压5V5V消耗电流2mA MAX50mA模块内部 5V 总功耗为：70+23+84+23+84+2+84+50+92+92+2+50 = 656mA模块内部 8V 总功耗为：166+83=249mA6.2电源芯片的选择电源芯片的选择在上述评估的条件下，最大电流大约为 905mA，在实际情况下，电流会比该最大值小，并且若是使用开关电源芯片，需要一个较大的 PCB 面积，来避免开关频率被频综或是低噪管调制，因此考虑直接使用 LDO。为满足外部输入 912V 的条件，需要选择低压差的开关电源，因此选择 MIC29302WU 作为模块的一级稳压芯片。各分器件的为保证电源隔离，需要在使用贴片磁珠来对电源进行隔离。对于敏感部件，如低噪管和频综部分，需要单独使用稳压管供电，控制部分的供电，也需要独立开来。根据各部分的实际的电流消耗，选择 sot-89 封装和 SOT-223 封装的稳压管，型号分别为 LM2940IMP-5.0 和 KIA-78L05F。6.3模块电源开关实现方式模块电源开关实现方式模块的开关方式通过使用开关模块电源的方式进行。模块的 485 芯片和 MCU 芯片将采用一起的电源芯片供电，供给模块上其余部分的+8V 和+5V 的电源，将经过 IRLML6402 之后，再供给到耗电终端。以此来使用 MCU 来控制 MOS 管的开关。7 7模块可能问题分析模块可能问题分析7.1温度漂移问题温度漂移问题模块中所使用的中频声表面滤波器的温度系数为-13.16KHz/，在整机的工作温度范围内（-20+55） ，会产生的频漂为 987KHz，如此大的频率漂移，可能会造成模块的带内波动、EVM 等指标的恶化。可以通过适当第 14 页 共 15 页调整频综的输出频点的方式，来优化该频漂，但是可能会造成频综输出信号相噪的恶化。根据不同制式的要求，可以选用温度系数更好的中频声表，来改善频率的温度漂移问题。7.2高低温增益变化高低温增益变化初步预期模块内部的增益在温度从-25+55范围内，增益变化超过 5dB，因此需要在模块内部使用一个模拟的温度传感器，通过第二级的模拟增益调整部分，使用单片机来对模块的增益进行温度补偿。温度传感器的位置计划置于给 MGA-31489 供电的 LDO 旁边。7.3带内波动及带外杂散带内波动及带外杂散为尽可能好的抑制模块的本振泄露，需要在其后级使用两到三级射频声表面滤波器，但是由此可能会引入模块的带内波动较大的情况。根据实际的情况，将可能在此两个指标之间进行平衡。8 8附件：新器件规格书附件：新器件规格书 MGA-631P8.pdfMGA-632P8.pdfMGA-31489.pdf38140.pdfMGA-31389.pdf