具有1.5dB NF LNA的Rx波束成形解決方案

在最近對(duì) 17.7-21.2 GHz 的 Ka Satcom Rx 頻段中的新型 1.5dB 噪聲系數(shù)低噪聲放大器 IC 進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，我們成功地實(shí)現(xiàn)了 1.6dB 的整體級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)，而當(dāng)今最先進(jìn)的和功耗僅為 31 mW/ch。這一行業(yè)記錄為用于具有兩個(gè)同步波束的電子控制相控陣天線 （ESA） 中的有源波束成形 IC 建立了新的性能基準(zhǔn)，與不太靈活、重量更大的單波束機(jī)械控制天線相比，大大提高了 ESA 的價(jià)值主張。

這些工程原型的測(cè)試結(jié)果被用于鞏固下一代產(chǎn)品的生產(chǎn)性能目標(biāo)，這些產(chǎn)品將與廣泛設(shè)計(jì)的瑞薩 F692x、F612x 和 F62x2 系列 Ka 波段衛(wèi)星通信接收 IC 引腳兼容（如圖所示） 1 ）。憑借完整的接口和引腳兼容性，現(xiàn)有客戶將能夠升級(jí)他們的天線產(chǎn)品，從而以最少的重新設(shè)計(jì)工作和更快的上市時(shí)間實(shí)現(xiàn)顯著改善的噪聲和功率性能。

圖 1 – F612x 和 F692x 產(chǎn)品系列的分立波束成形和 LNA IC（左），具有異構(gòu)集成波束成形和 LNA 裸片的 F62x2 Ka Satcom 多芯片模塊（中），所有三款 IC 都以 25 美分的價(jià)格進(jìn)行尺寸比較（右） ）。

對(duì)系統(tǒng)性能的影響

在衛(wèi)星通信中，實(shí)現(xiàn)所需的吞吐量和容量完全取決于天線及其電子設(shè)備。在衛(wèi)星的 EIRP 固定的情況下，下行鏈路預(yù)算由地面終端天線的 G/T（天線增益與噪聲溫度比）控制。這一重要的品質(zhì)因數(shù)直接影響所有應(yīng)用中通信鏈路可實(shí)現(xiàn)的頻譜效率，包括飛行中連接 （IFC）、住宅/企業(yè)寬帶互聯(lián)網(wǎng)、海事和移動(dòng)衛(wèi)星通信 （SOTM）。

更高的 G/T 可以通過(guò)增加 ESA 輻射元件的數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)更高的天線增益 （G）。然而，這是以更大的尺寸、重量和功耗為代價(jià)的。提高 G/T 的另一種方法是降低 LNA 的噪聲系數(shù)，從而降低天線噪聲溫度 （T）。圖 2顯示了企業(yè)級(jí) 58 cm / 4，000 單元 ESA 天線的 G/T 和 LNA NF 之間的關(guān)系。LNA NF 對(duì) G/T 影響的放大系數(shù)約為 2.5:1，導(dǎo)致我們新展示的 LNA 設(shè)計(jì)的 G/T 顯著提高了 +1dB （22%）。

圖 2 – 與行業(yè)最先進(jìn)的技術(shù)相比，新 LNA 設(shè)計(jì)的 G/T 提高了 25%

對(duì)于 G/T 已經(jīng)足夠高的應(yīng)用，改進(jìn)的 LNA NF 可以將 ESA 的尺寸和功耗降低 20%，如圖 3和圖 4 所示。這種降低是可能的，因?yàn)閷?duì)于恒定的 G/T，LNA 噪聲系數(shù)每提高 10dB，元件數(shù)量和功耗就會(huì)降低約 5%。這反過(guò)來(lái)又減少了 PCB 尺寸、BOM 數(shù)量和熱管理復(fù)雜性，從而降低了整體系統(tǒng)解決方案的成本。

圖 3 – 與當(dāng)前最先進(jìn)的設(shè)計(jì)相比，新 LNA 設(shè)計(jì)所需的元件減少了 20%

圖 4 – 采用新 LNA 設(shè)計(jì)的相同 G/T 功耗降低 20%

注意：圖 2、3 和 4 中給出的計(jì)算關(guān)系假設(shè)圓形天線孔徑具有三角形陣列點(diǎn)陣，其大小可在 Fmax、頻帶中心工作頻率和固定極化條件下以 90 度無(wú)柵瓣運(yùn)行。

總之，LNA 是 ESA 平板天線中最關(guān)鍵和影響最大的組件。利用瑞薩電子獨(dú)特的異構(gòu)偽芯片 IC 架構(gòu)以及單獨(dú)的 LNA 和波束成形芯片，我們能夠快速發(fā)展完整的Rx波束成形解決方案，以滿足對(duì)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的相控陣天線日益增長(zhǎng)的商業(yè)需求，同時(shí)還為新穎多樣的天線架構(gòu)提供設(shè)計(jì)靈活性。

審核編輯：郭婷