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Für die fortlaufende Entwicklung von drahtlosen 5G-Netzen ist die Leistungsfähigkeit des Frontends der Funkkomponenten ein immer wichtiger werdendes Element im Signalpfad des HF-Empfängers, insbesondere bezüglich des rauscharmen Verstärkers (LNA). Mit dem Aufkommen von neuen Prozesstechnologien für LNAs wie Siliziumgermanium (SiGe), Galliumarsenid (GaAs) und Silicon-on-Insulator (SOI) müssen die Entwickler die Balance zwischen LNA-Parameter wie Rauschen, Empfindlichkeit, Bandbreite und Leistung neu bewerten, um diese effektiv nutzen zu können.
Die Wichtigkeit des Frontends kann nicht überbewertet werden, da es zum großen Teil die endgültige Systemleistung in Situationen mit schwachen Signalen und bezüglich einer erfüllbaren Bitfehlerrate bestimmt. Wenn die Leistung des LNA nicht ausreicht, sind die restlichen Bemühungen beim Design der übrigen Schaltungen und der Empfangskanalverwaltung, um in der Leistung mit 5G Schritt halten zu können, ziemlich zwecklos.
In diesem Artikel werden der Stand von 5G und die Anforderungen, die es an die Leistung von LNAs stellt, behandelt. Dann werden Lösungen mit den neuesten Prozessen, die bei der Erfüllung dieser Anforderungen nützlich sein können, und den Möglichkeiten, diese optimal zu nutzen, vorgestellt.
Der Stand von 5G in höchstens 120 Worten
Etwas viel verlangt, aber los geht‘s: Obwohl die Spezifikationen von 5G verabschiedet sind, handelt es sich immer noch um ein unfertiges Produkt, also um „work in progress“. Viele der angestrebten Merkmale von 5G müssen noch umgesetzt werden, es stehen weitere Meetings, Feldversuche und Rückmeldungen der Lieferanten von Komponenten und Netzbetreibern u. a. bevor.
Einige Dinge sind allerdings schon klar: 5G-Geräte besetzen neue Blöcke des elektromagnetischen Spektrums, dabei bleiben einige Erstimplementierungen noch unter 6 GHz. Die meisten 5G-Systeme werden im Millimeterwellen-Band betrieben, wobei die Bänder mit 27 bis 28 und 37 bis 40 GHz in den USA verfügbar sind. Einige Versuche sind bereits über 50 GHz angesiedelt. Aufgrund von technischen Schwierigkeiten werden die ersten Millimeterwellen-Implementierungen im 27 bis 28 GHz-Band stattfinden.
Die besondere Rolle des LNA
Obwohl die Spezifikation von 5G viele Optionen für Modulation, Leitung, Datenübertragungsraten und andere Fähigkeiten offen lässt, sind die meisten davon für den LNA des Empfangskanals im Allgemeinen uninteressant. Diese Komponente muss nur eines können, und das richtig: das schwache, durch Rauschen überlagerte Antennensignal verstärken und dabei so wenig zusätzliches Rauschen wie möglich erzeugen. Daher ist es sinnvoll, sich zuerst den LNA genau anzusehen, ohne sich zunächst während der Entwicklungsphase größere Gedanken über Spezifikationsprobleme auf höherer Ebene zu machen.
Die primäre Spezifikation für eine akzeptable Funktion eines LNA in einem bestimmten Band ist die Rauschzahl (Noise Figure NF), d. h. die vom LNA eingebrachte Menge an Rauschen. Bei 5G, insbesondere in der Nähe von 28 GHz, muss die Rauschzahl zwischen 1 und 3 dB liegen, wobei ein oder zwei dB mehr in manchen Situationen akzeptabel sein mögen. (Eine tiefergehende Behandlung der häufigsten Rauschfaktoren finden Sie im Artikel „Ich verstehe die Rauschzahl, aber wie hat Rauschen eine „Temperatur“ bekommen?“.) Die Verstärkung muss im Allgemeinen zwischen 15 und 20 dB liegen, damit das empfangene Signal einen Bereich erreicht, in dem es von nachgeordneten Verstärken, Filtern und der Digitalisierung ordnungsgemäß verarbeitet werden kann.
Schließlich müssen linearitätsbezogene Faktoren wie der 1 dB-Ausgangs-Kompressionspunkt (Bezeichnung OP1 oder P1dB) und der Ausgangs-Intercept-Point 3. Ordnung (OIP3) bei mindestens -20 bzw. -35 dBm liegen. In den niedrigeren 5G-Bändern sind die Anforderungen an OP1 und OIP3 weniger streng. Sie liegen für ersteren im Bereich von -20 dBm und für letzteren im Bereich von -10 bis -15 dBm. Beachten Sie, dass ein höherer negativer Wert eine bessere Leistung bedeutet (-25 dBm ist besser als -20 dBm). Allerdings wird in vielen Datenblättern das Minuszeichen weggelassen, was für Verwirrung sorgen kann.
Da sie nach ihrer Funktion nur „einfache“ Verstärker sind, ist das Blockschaltbild von LNAs sehr einfach – normalerweise nur ein Verstärker-Dreieck – und es werden nur wenige Drähte am Gehäuse benötigt, typischerweise zwischen sechs und acht. Eine Folge dieser Einfachheit ist, dass die Gehäuse sehr klein sind. Die Größenordnung liegt zwischen 1 und 2 mm, und viele sind noch kleiner.
Neue Prozesse machen LNAs für 5G bereit
Es gibt viele für niedrigere Frequenzen von einigen GHz (z. B. für das 2,4 GHz- und das 5 GHz-Band) maßgeschneiderte Hochleistungs-LNAs, die aber nicht den anspruchsvollen Anforderungen von 5G-Frontends genügen. LNAs auf Silizium-Basis haben anscheinend ihre Leistungsgrenzen erreicht. Für den anspruchsvollen Mix der Leistungsspezifikationen von 5G werden jetzt neue Halbleitermaterialien und -prozesse eingesetzt. Die Rauschzahl von Standard-Silizium ist auch für die niedrigeren 5G-Bänder nicht klein genug, und auch die OP1/OIP3-Werte reichen für 5G mit seinen im Vergleich zu den existierenden Wireless-Standards niedrigeren Pegeln für Empfangs- und Sendesignale nicht aus.
Aus diesen Gründen investieren die Hersteller viel in die Forschung und in die Massenfertigung mit neuen Prozessen auf Grundlage von SiGe-, SOI- und Galliumarsenid-Materialien (GaAs), die eine höhere Beweglichkeit der Elektronen, eine kleinere Geometrie und geringere Verluste bieten.
Zum Beispiel hat der in einem SiGe-Prozess hergestellte LNA BGA8U1BN6 von Infineon Technologies eine Rauschzahl von nur 1,6 dB, einen OP1 zwischen 18 und 22 dBm und einen OIP3 zwischen 10 und 15 dBm. Er wird bei Frequenzen zwischen 4 und 6 GHz mit einer Verstärkung von 13,7 dB betrieben.
Darüber hinaus verfügt der BGA8U1BN6 über eine Energiesparfunktion, mit der er in einen Bypass-Modus versetzt werden kann, in dem er das Eingangssignal einfach mit einer Einfügedämpfung von 7,5 dB an den Ausgang weitergibt (Abbildung 1). Diese Funktion ist nützlich, wenn das empfangene Signal stark ist, da es sowohl eine Überlastung der folgenden Stufe verhindert als auch die Versorgungsstromstärke des LNA von etwa 20 mA bei einer Versorgungsspannung von 2,8 V auf etwa 100 µA senkt. Dies ist eine beträchtliche Ersparnis.
Abbildung 1: Der SiGe-LNA BGA8U1BN6 von Infineon Technologies verfügt über einen Bypass-Modus, der den LNA aus dem Signalpfad nimmt. Dies vermindert die Verstärkung und verhindert Überlastung und Sättigung von nachgeordneten Stufen. Dabei wird auch die Stromaufnahme reduziert. (Bildquelle: Infineon Technologies)
Auch der SKY65806-636LF, ein SOI-LNA für 3400 bis 3800 MHz von Skyworks Solutions bietet einen Bypass-Modus. Die Verstärkung entspricht mit 13,6 dB der des Infineon-Bausteins, und die Rauschzahl beträgt nur 1,2 dB. Der Versorgungsspannungsbereich ist 1,6 bis 3,3 V bei einer Betriebsstromstärke von nur 3,85 mA. Wie der LNA von Infineon hat auch dieser 50 Ω-LNA eine vom Benutzer einstellbare Bypass-Funktion.
Der LNA ADL5724 von Analog Devices wird auch in einem SiGe-Prozess hergestellt. Er ist für den Betrieb bei 12,7 GHz bis 15,4 GHz bestimmt (Abbildung 2). Sein symmetrischer 100-Ω-Differenzialausgang eignet sich gut zur Ansteuerung von Differenzial-Abwärtswandlern und Analog-Digital-Wandlern. Die typische Verstärkung liegt über 23,7 dB, während die typische Rauschzahl 2,1 dB bei 12,7 GHz und 2,4 dB bei 15,4 GHz beträgt.
Abbildung 2: Der SiGe-ADL5724 von Analog Devices hat symmetrische Differenzialausgänge, die eine verbesserte Signalintegrität zwischen ihm und der nächsten Stufe in der Signalkette bieten. (Bildquelle: Analog Devices)
Da viele LNAs normalerweise nicht in Umgebungen mit stabilen Temperaturen eingesetzt werden, enthält das Datenblatt des ADL5724 Diagramme zur Abhängigkeit wichtiger Leistungsfaktoren von der Temperatur (Abbildung 3).
Abbildung 3: Wie diese Diagramme für Verstärkung (a) und Rauschzahl (b), jeweils gegenüber der Frequenz – bei -40 ⁰C, +25 ⁰C und +85 ⁰C – zeigen, hängt die Leistung eines LNA von der Temperatur ab. Beachten Sie, wie bei steigender Temperatur die Verstärkung sinkt und die Rauschzahl ansteigt. (Bildquelle: Analog Devices)
Beim ADL5724 sinkt die Verstärkung leicht, während die Rauschzahl ansteigt. Dieses Verhalten ist für LNAs unabhängig vom Herstellungsprozess typisch. Diese Abweichungen müssen bei Worst-Case-Szenarien und Simulationen der Signalkette in Betracht gezogen werden.
Für einen hohen Dynamikbereich und geringes Rauschen hat MACOM Technology Solutions Holdings (MACOM) den MAAL-011078, einen einstufigen GaAs-LNA mit hohem Dynamikbereich und einer besonders niedrigen Rauschzahl von nur 0,5 dB bei 2,6 GHz, herausgebracht. Er bietet darüber hinaus eine Verstärkung von 22 dB und eine hohe Linearität von 33 dBm (OIP3) und 17,5 dBm (P1dB). Dieser IC, der den Bereich von 700 MHz bis 6 GHz abdeckt, bietet ein zusätzliches Merkmal: eine integrierte Active-Bias-Schaltung, die es den Benutzern ermöglicht, den Ruhestrom (Arbeitspunkt) über einen externen Widerstand festzulegen. So kann der Stromverbrauch vom Benutzer passend zur Anwendung eingestellt werden. Es kann z. B. eine niedrigere Betriebsstromstärke mit reduzierter Leistung gewählt werden (Abbildung 4).
Abbildung 4: Beim MAAL-011078 von MACOM können Ruhestrom und Arbeitspunkt des LNA vom Benutzer über einen externen Widerstand festgelegt werden. So führt ein niedrigerer Betriebsstrom frequenzabhängig zu einer Änderung des OIP3-Werts (links) und einem niedrigeren P1dB-Wert (rechts). (Bildquelle: MACOM)
Das Beste aus einem 5G-LNA herausholen
Sobald die Wahl eines geeigneten LNA für 5G getroffen wurde, sind für die Implementierung eines 5G-Frontends einige Überlegungen und Anpassungen nötig, damit dieser LGA optimal genutzt werden kann. Da die Betriebsfrequenz über 5 GHz und 10 GHz hinausgeht, müssen neben dem LNA selbst fünf wichtige Faktoren beachtet werden.
1: Wahl des Platinenmaterials – Im Gigahertz-Bereich sind Verluste auf der Übertragungsleitung am Eingang und Ausgang des LNA wesentliche Faktoren. Dies gilt insbesondere für den Eingang, da Verluste den maximal erreichbaren Rauschabstand beeinträchtigen und ebenfalls zum Ausgangsrauschen des LNA beitragen. Da die Übertragungsleitung meist als Streifenleitung auf der Platine selbst ausgeführt ist, muss die Platine aus dielektrischem Material mit geringen Verlusten hergestellt sein.
Da das weitverbreitete FR4-Laminat hier für die Platine ungeeignet ist, bieten die Hersteller als Alternative andere Materialien und Laminate an. Für eine weitverbreitete Platine wird ein spezielles Laminat verwendet, das über einen FR4-Kern gelegt wird. So wird ein stabiler Verlustfaktor für die Übertragungsleitung erreicht, und die Festigkeit von FR4 als Versteifung bleibt erhalten.
Denken Sie daran, dass die Platine bei diesen Frequenzen als eine weitere passive „Komponente“ der Schaltung mit den bei allen passiven Komponenten auftretenden parasitären Effekten betrachtet werden muss. Auch müssen Feinheiten wie der Temperaturkoeffizient als einer der primären Kennwerte der Platine und die parasitären Effekte einbezogen werden. Diese Daten werden von den Herstellern der Materialien für Hochleistungsplatinen bereitgestellt.
2: Wahl der Kondensatoren – Für die Anpassungsschaltung am Eingang und am Ausgang müssen Kondensatoren mit hohem Q-Faktor verwendet werden, um eine niedrige Rauschzahl für den Eingang und Ausgang des LNA zu erreichen. Komponenten mit niedrigem Q-Faktor verschlechtern die Rauschzahl um einen Wert zwischen 0,2 dB bis zu einem ganzen dB. Die verbreiteten NPO-Kondensatoren haben einen niedrigen Q-Faktor und höhere Verluste und sollten daher gemieden werden. Kondensatoren auf Porzellanbasis haben den höchsten Q-Faktor, sind aber teuer. Je nach Ergebnis der Leistungs- und Kostenanalyse ist es möglich, den goldenen Mittelweg zu finden.
3: Überbrückung der Stromversorgung – Es ist zwar wohlbekannt, wird aber oft übersehen. Daher sollte es wiederholt werden. Eine sorgfältige und vollständige Überbrückung der Versorgungs-Gleichspannung am IC und an anderen Stellen ist für die Gewährleistung einer stabilen und gleichmäßigen Hochfrequenzleistung entscheidend. Die gewählten Überbrückungskondensatoren sollten eine minimale Impedanz bei den benötigten Frequenzen haben, um die Entkopplungswirkung zu maximieren.
Ein Kondensator mit 1000 pF ist beispielsweise keine gute Wahl für das Entkoppeln von hohen Frequenzen. Bei 5 GHz wirkt ein 1000pF-Kondensator wegen der Eigenresonanzfrequenz wie eine Induktivität, und dies könnte sich als kontraproduktiv bezüglich einer Entkopplung erweisen. Stattdessen sollte ein Kondensator mit geringer Kapazität (typischerweise weniger als 10 pF) in der Nähe des LNA angebracht werden. Daneben sollte eine herkömmliche Entkopplung für niedrigere Frequenzen vorgesehen werden, üblicherweise zwei parallelgeschaltete Kondensatoren mit 1000 pF und 0,01 µF. Diese müssen sich nicht in der Nähe des LNA befinden.
4: Anpassung von Eingang und Ausgang – Bei vielen, aber nicht bei allen LNAs beträgt die Impedanz am Eingang und am Ausgang je 50 Ω. Selbst dann, wenn es so sein sollte, liegt der Widerstand der Elektronik, die den LNA ansteuert, und der Elektronik, die vom Ausgang des LNA angesteuert wird, nicht bei 50 Ω. Daher müssen mithilfe eines Smith-Diagramms und S-Parametern geeignete Optionen für eine Anpassungsschaltung ermittelt werden. Es sei noch einmal erwähnt, dass die reaktiven passiven Komponenten – Induktionen und Kondensatoren – bei 5G-Frequenzen unvermeidliche parasitäre Effekte verschiedener Art entwickeln: intern, mit in der Nähe liegenden Komponenten und mit der Platine.
Die Entwickler sollten folgende drei Dinge tun: passende Komponenten mit schwachen parasitären Effekten bei diesen Frequenzen verwenden; sicherstellen, dass die unvermeidlichen parasitären Effekte im Kontext der Anordnung der Komponenten charakterisiert sind; diese Werte bei der Modellierung der Anpassungsschaltung verwenden und Nominalwerte entsprechend anpassen.
5: Kabelverbindungen – Bei manchen 5G-Installationen werden Verbindungen über die Platine und ihre Streifenleitungen hinaus in Form von physischen Kabeln benötigt. Wenn eine differenzielle Schnittstelle verwendet wird – dies ist oft der Fall, um eine Schaltung symmetrisch und weniger rauschanfällig zu machen –, sind für diese Kabelverbindung möglicherweise „Skew-Match“-Kabelpaare mit idealerweise identischen Ausbreitungseigenschaften erforderlich.
Aus diesem Grunde sind die Laufzeiten von Hochleistungskabeln für die 5G-Frequenzen von bis zu 40 GHz und mehr auf 1 ps genau aufeinander abgestimmt. Sie werden als Paar verkauft und verwendet, und die Paare sind durch Haltebänder fest miteinander verbunden, sodass sie nicht einzeln angebracht oder ausgetauscht werden können. Mit diesen Kabeln kann eine differenzielle Schaltung die Leistung von High-End-LNAs beim Ansteuern der nächsten Stufe der Signalkette erreichen.
Fazit
Der 5G-Mobilfunkstandard schraubt die Frequenzen in Bereiche bis zu 40 GHz und mehr hoch. Auch die analoge Elektronik, insbesondere rauscharme Verstärker, muss mit weniger Rauschen und weniger Verzerrung arbeiten. Es wird versucht, diese Probleme mit neuen IC-Prozesstechnologien zu lösen. Die Leistung von hochwertigen LNAs kann allerdings durch eine ungenügende Beachtung der Auswirkungen dieser hohen Frequenzen gemindert werden.