LTE频段LNAFC模块设计方案

LTE频段LNA+FC模块设计方案拟制：审核：标准化：批准：发布日期：修改记录版本号重要更改内容（写要点即可）更改理由拟制人/修改人拟制/修改日期V1.0初次发行初版王海峰V1.1在设计中增长对WCDMA输入2载波-40dBm的带内互调干扰的测试，规定输出电平变化小于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目录1 概述 42 技术规定 42.1 电气性能规定 42.2 模块结构及工作环境规定 52.3 控制功能规定 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 115.2 MCU的选择 125.3 模块的ALC控制 125.4 模块的485控制 126 模块电源的分派 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 模块也许问题分析 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

概述本设计方案重要针对2600~2700MHzLTE频段中，任意15MHz带宽内的一个工作频段。规定LNA部分可以支持宽频段的工作，FC部分可以通过对锁相环的配置，来实现不同频段的选择。规定模块可以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，以达成最佳性价比。技术规定电气性能规定表2-1模块电气性能规定ParameterSpecificationRemarkFrequencyBand2620—2690MHz2555~2570MHzOutputPower&AdjustRange0dBm;≥10dBOutputPowerFlatness0.5dB3dBBandwidth15MHzGain50±1.0dB@Pout=0dBmGainVariationoverTemp.≤±1.0dBover-20°C~+60°CGain31.5dB;±1dBPortReturnLoss＞18dBNoiseFigure≤2.5dBAttset-15dB,NF≤7.5dBEVM≤4%PCDE≥40dBIM3≥75dBc@pertone-8dBmAlcupper20dBIM3HoldALCDepth＞30dBALCTypeSlotControlAnalogAttenuationControl＞15dBPowerSupplyDC9—12Vwithoutdamage@14VCurrentConsumptionMax.0.9AMaxRFInputPower+10dBmwithoutdamagein3minutes模块结构及工作环境规定表2-2模块工作环境及外观规定ParameterSpecificationRemarkDimension(Body)100(W)*140(D)*25(H)[mm]ColorWhiteChromateRFInputConnectorSMAFemaleOutputConnectorSMA-typeFemaleI/OConnector5*2PINBoxHeaderforMCUprogram90°RightAngel2*2PIN2.0mmDCConnectorFeedthoughCapacitorScrewThreadedStyleCoolingExternalHeatsinkOperatingCaseTemperature-20°C~+60°CStorageTemperature-40°C~+85°CRelativehumidity5~95%(NonCondensing)控制功能规定表2-3模块控制功能规定ParameterSpecificationRemarkContactTypeRS485；9600kpsAttenuation≥31dB@1dBStepALCDepthAlarm＞30dBAGCControlVoltageOutputAGCEnableLNAFailealarmTTLAnalogAttenuationControl＞15dBPLLAlarmPLLUnlockedTTLModuleSwitchON/OFF模块链路预算射频链路预算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互调不恶化的规定，为达成最佳性价比，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，重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3GPPFDD中对输入互调指标的规定。对LTE频段，选择MGA-31489；对于1.5GHz以下的频段，选择MGA-31389。为达成指标的规定，对链路架构进行一定的改变，减少进入IFSAW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，可以满足模块的指标规定。RFSAW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，但是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。IFSAW一方面考虑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IFSAW之前的链路的计算结果如下：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通过IFSAW之后，约为-100.5dBm，在通过IFSAW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3GPPFDD的规定。IFSAW输出到第二个混频器之间，仍处在中屡屡段。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，同时可以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的克制。其规定的LO功率为+17dBm，则其在射屡屡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的克制约在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克制。随后是一级射频声表。在射频声表面之后，为另一个VGA。该VGA重要用来实现对模块增益的调节。将该VGA置于此处，重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导致太大影响。将其放于此处，也可以在将模块增益设立为40dB的时候，模块的整体互调指标可以满足-75dBc@-10dBmoutput的规定。计算结果如下：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RFSAW的位置，在RFSAW之后，为一个DATT部分，将该数控衰减器置于此处，重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，可以达成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，可以支持从DC-6GHz。在DATT之后，为一级RFSAW以及一定的Pi衰，重要用来改善模块的输出线性以及对末级进行更好的匹配，使其可以达成更佳的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。如有其他更改线性规定，可以通过更改Pi衰以及更换末级来达成。本振部分及其实现方案本振部分需求该模块分为上下行两个频段，规定两个频段可以公用PCB和其中的大部分元器件，因此，在本振部分，需要两个封装以及控制方式相同的频综，并规定两个频综在输出信号的杂散上，具有大体相等的水准。根据频点的初步规定，模块上行频段为2500~2570MHz，下行频段为2615~2685MHz。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。本振部分时钟选择根据所用的频综芯片的规定，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TVCTCLSANF5032SMDTCXO10.000000MHz的晶振作为频综的参考源。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，最佳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，可以满足混频器的功率需求。控制功能需求及实现方式控制功能需求及所需资源模块的控制功能重要涉及以下几个部分：1、射频链路上数控ATT的控制：MCU三路IO口2、ALC的设立控制功能：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：IO口：9AD口：2DA口：1串口：两个MCU的选择MCU的选择重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。模块的ALC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，在通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设立电压进行积分后，再通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。该电压将通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。模块的485控制模块的485通讯重要通过一个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。模块电源的分派模块电源需求模块规定使用外部DC+9~12V供电，规定模块在供电电压为DC+14V的情况下无损，规定模块消耗电流小于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供电电压5V5V5V8V8V5V消耗电流70mAMAX23mA84mAMAX166mAMAX83mAAMX23mA器件名称型号Mga-31489hmc624Mga-31489频综sbb-5089zsbb-5089z供电电压5V5V5V5V5V5V消耗电流84mAMAX2mA84mAMAX50mAMAX92mAMAX92mAMAX器件名称型号TCXOMCUC8051F410OPAMP485芯片ZT13085E供电电压5V5V消耗电流2mAMAX50mA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=249mA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