Mitkä ovat keskeiset erot matalan kohinan RF -vahvistimien ja tehon RF -vahvistimien välillä?

Radiotaajuus (RF) -tekniikan maailmassa vahvistimilla on tärkeä rooli signaalien välittämisessä ja vastaanottamisessa tarvittavalla selkeydellä, lujuudella ja vakaudella. Matkaviestinnästä satelliittilinkkeihin ja tutkajärjestelmiin, RF -vahvistimet ovat nykyaikaisten langattomien verkkojen selkäranka. Erityyppisistä RF -vahvistimista, Matalan kohinan vahvistimet (LNA) ja Vahvistimet (PAS) ovat kaksi kriittisimmistä. Vaikka molemmat palvelevat signaalien monistamisen yleistä toimintoa, ne eroavat merkittävästi suunnittelufilosofiasta, sovelluksesta ja suorituskykyparametreista.

Tässä artikkelissa tutkitaan LNA: n ja PAS: n välisiä keskeisiä eroja, jotka korostavat niiden toimintaperiaatteita, sovelluksia ja kompromisseja, joiden insinöörien on otettava huomioon valittaessa niiden välillä.

1. Perustarkoitus

Peruserottelu on kunkin vahvistimen tyypin tarkoituksessa.

• Matalan kohinan vahvistin (LNA):
  LNA: n ensisijainen rooli on monistaa heikkoja tulevia RF -signaaleja ottaen käyttöön mahdollisimman vähän lisäkohinaa. Kun signaalit kulkevat pitkiä matkoja, kuten satelliitteista maahan, he menettävät suuren osan voimastaan. LNA: t varmistavat, että nämä heikot signaalit tehostetaan ilman hukkumista järjestelmän kohinalla, mikä mahdollistaa vastaanottimen lisävaiheet käsitellä niitä tehokkaasti.

• Powervahvistin (PA):
  Pa: n tarkoitus on päinvastainen. Se vie suhteellisen vahvan RF -signaalin ja lisää sen voimaa tasolle, joka riittää siirtymiseen pitkillä matkoja tai esteitä. PA: n tehtävänä on varmistaa, että lähtevällä signaalilla on tarpeeksi energiaa saavuttaakseen aiotun vastaanottimen vähäisellä hajoamisella.

Pohjimmiltaan, LNA: t toimivat signaaliketjun alussa (vastaanottimen puoli), kun taas PAS toimivat signaaliketjun lopussa (lähettimen puoli).

2. melu tai tehokkuus

• Melun kuva (NF) - LNA: n prioriteetti:
  Matala melu on kriittinen LNA: lle. Melun luku on mitta siitä, kuinka paljon melua vahvistin itse lisää signaalia verrattuna ihanteelliseen melutonta vahvistimeen. LNA: ien kohdalla jopa pieni määrä lisäkohinaa voi heikentää järjestelmän yleistä herkkyyttä. Tyypilliset LNA: t pyrkivät kohinahahmoon alle 1 dB signaalin uskollisuuden ylläpitämiseksi.

• Tehokkuus - PA: n prioriteetti:
  PAS: n tehokkuus on paljon tärkeämpää kuin melu. PA: n on muunnettava mahdollisimman suuri osa tulo DC -tehosta RF -lähtötehoksi. Tehokkaat vahvistimet tuottavat liiallista lämpöä, jätteidenergiaa ja vaativat kalliita jäähdytysjärjestelmiä. Tehokkuus on usein määrittelevä suorituskykyparametri, etenkin suuritehoisissa sovelluksissa, kuten solujen tukiasemilla tai tutkalla.

Siten, LNA: t on optimoitu minimaalisen melukäytyksen saamiseksi, kun taas PA: t on optimoitu tehotehokkuuden saavuttamiseksi.

3. Vaatimusvaatimukset

Sekä LNA: t että PA: t tarjoavat voiton, mutta vaadittavat tasot eroavat niiden toiminnan perusteella.

• LNA -vahvistus:
  LNA: t tuottavat tyypillisesti kohtuullisen vahvistuksen alueella 10–30 dB. Liian suuri voitto vastaanottimen alkuvaiheissa voi johtaa seuraavien komponenttien vääristymiseen ja ylikuormitukseen. Tavoitteena on tarjota tarpeeksi monistusta seuraavien piirien melun voittamiseksi kyllästymättä niitä.

• PA -voitto:
  Tehovahvistimet tarjoavat yleensä pienemmän vahvistuksen LNA: iin verrattuna, usein välillä 10–20 dB. Niiden tehtävänä ei ole luoda massiivista monistusta, vaan antaa huomattavaa lähtötehoa (mitattuna Wattsissa), jotka kykenevät ajamaan antenneja. Tärkeää on lopullinen tehonlähtö, ei raa'an vahvistuksenumero.

Niin, LNA-vahvistus tarkoittaa signaali-kohinasuhteen (SNR) parantamista, kun taas PA Gaint -sovelluksen tarkoituksena on tuottaa käyttökelpoista lähetysvoimaa.

4. lineaarisuus vs. kylläisyys

• LNA: n lineaarisuus:
  LNA: ien on toimittava mahdollisimman lineaarisimmalla alueella, jotta vältetään vääristymien aiheuttaminen signaaliin. Vääristymät voisivat luoda vääriä signaaleja tai intermodulaatiotuotteita, jotka peittävät heikon halutun signaalin. Siksi lineaarisuus on LNA: n tärkein suunnittelu.

• Kyllästys PAS: ssä:
  Pas sitä vastoin toimii usein lähellä kyllästymispistettään lähtötehon ja tehokkuuden maksimoimiseksi. Tämä voi aiheuttaa vääristymiä, mutta koska signaali siirretään (pikemminkin kuin analysoitu), vääristymä on usein siedettävämpi. Nykyaikaiset viestintäjärjestelmät käyttävät linearisointitekniikoita, kuten digitaalista ennakkoluuloa (DPD) PA -vääristymisen torjumiseksi.

Siksi, lineaarisuus hallitsee LNA -suunnittelua, kun taas kyllästyminen ja tehokkuus hallitsevat PA -suunnittelua.

5. Sijoittelu RF -ketjuun

LNA: ien ja PAS: n sijainti tyypillisessä RF -järjestelmässä on toinen määrittelevä ero.

• LNA -sijoitus:
  LNA: t asetetaan heti antennin jälkeen vastaanotinketjussa. Tämä sijoitus minimoi kaapelin ja komponenttien häviöiden vaikutuksen ennen monistusta. Vahvistamalla signaalia varhain minimaalisella lisäyksellä, LNA varmistaa, että seuraavat vaiheet voivat toimia vahvalla, puhtaalla signaalilla.

• PA -sijoitus:
  PA: t sijoitetaan suoraan lähettimen ketjun lähettävän antennin ennen. Kaikkien modulaatio-, suodatus- ja välivaiheen monistusvaiheiden jälkeen PA lisää lopullista signaalia, jotta se voi kulkea vapaan tilan läpi tehokkaasti.

Siten, LNA: t työskentelevät vastaanottimien etupäässä, kun taas PAS työskentelee lähettimien takana.

6. Virrankäsittelyominaisuudet

• LNA -virrankäsittely:
  LNA: t on suunniteltu alhaisten tulosignaalin tasoille, usein mikrovoltin tai millivoltin alueella. He eivät pysty käsittelemään vahvoja syöttösignaaleja ilman ylikuormituksen tai puristuksen riskiä. Korkeat syöttötasot voivat nopeasti työntää LNA: t epälineaarisuuteen.

• PA -virrankäsittely:
  PA: t on rakennettu toimittamaan korkeat lähtötasot, joskus muutamasta watista mobiililaitteissa satoihin kilowatteihin lähetyslähettimissä. Niiden on käsiteltävä suuria virtauksia ja jännitteitä, mikä vaatii voimakasta piirin suunnittelua ja lämmönhallintaa.

Lyhyesti sanottuna, LNA: t ovat herkkiä laitteita, jotka on suunniteltu pienille signaaleille, kun taas PA: t ovat kestäviä laitteita, jotka on suunniteltu suuritehoiseen ulostuloon.

7. sovellukset

• LNA -sovellukset:

  • Satelliittiviestintä (heikkojen alareunan signaalien sieppaamiseksi)
  • Radioteleskoopit (syvän avaruuden signaalin havaitsemiseksi)
  • GPS -vastaanottimet (tarkan paikannuksen varalta)
  • Langattomat tukiasemat (herkkyyden parantamiseksi)
  • Puolustus- ja ilmailu-

• PA -sovellukset:

  • Matkapuhelimet (signaalien lähettäminen takaisin tukiasemalle)
  • Lähetysasemat (TV- ja radiolähetys)
  • Sotilaalliset tutkajärjestelmät (suuritehoiset palkokasvit)
  • Langaton infrastruktuuri (4G/5G tukiasemat)
  • Satelliitti nousevat linkit (tietojen lähettäminen kiertoradalle)

Yhdessä LNA: t ja PA: t peittävät langattoman viestintäprosessin molemmat päät - reagoivat ja lähettävät.

8. Suunnitteluhaasteet

• LNA -haasteet:

  • Ultra-matalan kohinan lukujen saavuttaminen ilman liiallista virrankulutusta
  • Lineaarisuuden ylläpitäminen vaihtelevissa syöttöolosuhteissa
  • Suunnittelu laaja kaistanleveys pitäen melua alhaisena

• PA -haasteet:

  • Lämmön hajoamisen hallinta suuritehoisissa sovelluksissa
  • Tasapainotus ja lineaarisuus nykyaikaisissa modulaatiojärjestelmissä
  • Laajataajuuskaistojen käsittely järjestelmissä, kuten 5G

Nämä haasteet korostavat vastakkaisia ​​prioriteetteja: signaali puhtaus LNA: lle ja PAS: n virran toimitus.

9. Materiaalit ja tekniikat

• LNA:
  Käytä usein tekniikoita, kuten GAAS (gallium arsenidi), GaN (galliumnitridi) tai CMO: t matalan kohinan suorituskykyä varten. GaA: ta käytetään laajasti satelliitti -LNA: issa sen erinomaisten meluominaisuuksien vuoksi.

• Pas:
  Käyttää usein GAN- tai LDMOS-ohjelmia (sivusuunnassa diffundoitua metallioksidipemonuktoria) korkean hyötysuhteen ja tehonkäsittelyn saavuttamiseksi. Erityisesti Gan on erinomainen korkeataajuus- ja suuritehoisissa sovelluksissa.

Puolijohdemateriaalin valinta on läheisesti sidottu vahvistimen toimintaan.

10. Yhteenveto eroista

Yhteenveto avainkohdat:

• LNA:

  • Focus: minimoi melu, maksimoi herkkyys
  • Voitto: 10–30 dB
  • Sijoittelu: Vastaanottimen etupää
  • Prioriteetti: lineaarisuus ja alhainen melu
  • Sovellukset: satelliitti, GPS, radioastronomia

• PA:

  • Focus: Maksimoi lähtöteho ja tehokkuus
  • Voitto: 10–20 dB
  • Sijoittelu: Lähettimen takaosa
  • Prioriteetti: Tehontuotto ja tehokkuus
  • Sovellukset: Lähetys, tutka, 5G -verkot

Johtopäätös

Matalan kohinan vahvistimet (LNA) ja tehovahvistimet (PAS) ovat saman kolikon kaksi puolta RF -järjestelmissä. Vaikka LNA: t keskittyvät heikkojen signaalien sieppaamiseen ja säilyttämiseen minimaalisella melulla, PAS keskittyy voimakkaiden signaalien välittämiseen maksimaalisen tehokkuuden avulla. Niiden suunnitteluprioriteetit, signaaliketjun sijoittaminen ja suorituskykymittarit eroavat dramaattisesti, mutta molemmat ovat välttämättömiä nykyaikaisessa langattomassa viestinnässä.

Kun tekniikat, kuten 5G, satelliitti Internet ja edistynyt tutka, laajenevat edelleen, LNA: n ja PAS: n roolit kasvavat vain tärkeys. Heidän erojensa ymmärtäminen ei vain auta insinöörejä suunnittelemaan parempia järjestelmiä, vaan varmistaa myös, että loppukäyttäjät nauttivat luotettavista, korkealaatuisista langattomista yhteyksistä ympäri maailmaa.