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摘 要：基站接收器设计是一项艰巨的任务。典型接收器组件包括混频器、低噪声放大器（LNA）和模数转换器（ADC）等，这些器件随着 时间推移而不断改善。但是，架构的改变却不大。随着5G通信技术的发展，数据的传输速率在不断提高，对射频接收前端也提出了新的挑战，低噪声放大器作为基站射频前端的重要组成部分，其增益、噪声、线性度等指标直接影响到整个接收链路的性能。
关键词：5G基站;低噪声放大器;射频接收;前段设计
一、引言
1864年英国物理学家麦克斯韦（J. Cleck Maxwell）总结了前人在电磁学方面的工作，得出了电磁场方程，从理论上证明了电磁波的存在。1887年德国物理学家赫兹（H. Hertz）用实验证实了电磁波的存在，麦克斯韦的理论得到了证实从此，许多国家的科学家开始努力研究如何用电磁波传输信息，这就是无线电通信。1901年英国科学家马可尼成功的实现了无线电信号横越大西洋，可以认为从那时起射频电子技术正式诞生。
二、发展
（一）首先来看一些基站类别。众所周知的标准组织3GPP定义了若干基站类别。这些基站类别有不同名称。宽泛地说，最大的基站或广域基站 （WA-BS） 提供最大的地理覆盖范围和用户数量。其输出功率也最高，必须提供最佳的接收器灵敏度。随着基站逐渐变小，所需的输出功率也减小，接收器灵敏度同时降低。（二）此外，3GPP还定义了不同的调制方案。宽泛地说，对调制方案的实用细分是划分为非GSM调制（包括LTE和CDMA类型的调制）和基于GSM的调制—特别是多载波 GSM （MC-GSM）。在这两大类方案中，GSM在射頻和模拟性能方面要求最高。此外，随着更高吞吐速率的无线电变得越来越普遍，MC-GSM已取代单载波 GSM成为标准。一般来说，支持MC-GSM性能的基站无线电前端也可以处理非GSM性能。支持MC-GSM的运营商在把握市场机会方面拥有更大的灵活性。（三）历史上，基站由分立器件组成。我们相信今天的集成收发器可以取代很多分立器件，同时提供系统优势。但首先，我们需要讨论基站接收器设计的挑战。（四）基站接收器在特定条件下必须达到所需的灵敏度。灵敏度是衡量基站接收器解调手机发出的弱信号的能力高低的品质因数。通过灵敏度可确定基站能够收到手机信号同时保持连接的最 远距离。灵敏度可以按两种方式分类：（五）没有任何外部干扰的静态灵敏度;（六）有干扰的动态灵敏度。（七）静态灵敏度 （八）在工程术语中，灵敏度由系统噪声系数 （NF） 决定。噪声系数越低，意味着灵敏度越高。通过提高增益以实现所需的系统噪声系数，可实现所需的灵敏度，而增益是由一种称为低噪声放大器 （LNA） 的昂贵器件产生。增益越大，LNA的成本和功耗越高。 （九）动态灵敏度 （十）动态灵敏度需要权衡。动态灵敏度意味着静态灵敏度受到干扰会变差。干扰是指接收器上出现的任何不需要的信号，包括来自外界的信号或接收器无意产生的信号，如互调产物。在此背景下，线性度描述系统处理干扰的能力。
现在我们来比较一个简化的收发器接收信号链。可以看到，收发器接收信号链的物料清单少于类似的分立器件信号链。此外，收发器片内含有两个发射器和两个接收器。看似简单的集成隐藏了接收器设计的精致，后者通常可实现 12 dB 的噪声系数。
三、射频接收机拓扑结构
射频接收的前段的主要作用就是能够将载波频率较高的转换到相对较低的，也就是从射频转换到中频，这一过程可以通过下图的结构来实现。
超外差式接收机的最大缺点是组合干扰频率点多，这是因为混频器不是一个理想的乘法器，而是一个非线性器件，会引入大量交调分量，并且镜像干扰的现象最为严重。因此对镜像抑制滤波器的要求非常高。 Hartley结构具有为镜像抑制功能，但是要做到有效的实现镜像抑制接收，必须满足两点要求，两支路尽可能一致，其中包括本振信号的幅度、混频器的増益、低通滤波器的特性：正交要精确，即两路本振信号要尽量做到精确的相差90°。本文后面所设计的镜像抑制混器的设计就是基于该结构。交织型接收机是利用个正交混频器代替90°移相器，可以很好的抑制镜像频率的干扰，但是它在电路结构上较为复杂，所以应用较少。目前随着滤波器制造工艺的提高，与天线相连的滤波器会较大程度上的抑制镜像频率，所以在本文对接收机的讨论中将以超外差型为主。
对于中频的选择，主要有零中频和非零中频两种方案。零中颏方案是让本振频率等于载频，将载频直接下变频为基带的方案，其好处是绝对不存在镜像干扰频率。然而如果零中频方案，本振信号很容易从混颊器的射频口输出，通过高频放大器泄漏到天线，形成对部道的干扰。零中频结构还会产生直流漂移（ DC Offset）。而非零中類则不会产生直流漂移。由于直流漂移会改变各级放大器的直流工作点，另一方面直流漂移的解决方法现在仍然不成熟。
四、结语
本文对CMOS低噪声放大器进行了分析，将传统共源共栅结构看作二级放大器级联形式，并由此引入级间匹配网络。围绕级间匹配网络的实现这一核心问题，推导出级间匹配电路可以用一个串联电感实现。最后用一个2 GHZ CMOS低噪声放大器的设计实例进行验证，仿真结果表明在共源共结构之间引入匹配集成电感后，放大器的噪声和増益性能得到了明显改善。
参考文献：
[1]目育泽;李晋;万天オ一种应用于全球寻航卫星系統的低噪声放大器微电子学：2018年03期
[2]付餛朱红雷;伟全飞;平式完帯低噪声放大器设计り;电子科技;2017年08期
关键词：5G基站;低噪声放大器;射频接收;前段设计
一、引言
1864年英国物理学家麦克斯韦（J. Cleck Maxwell）总结了前人在电磁学方面的工作，得出了电磁场方程，从理论上证明了电磁波的存在。1887年德国物理学家赫兹（H. Hertz）用实验证实了电磁波的存在，麦克斯韦的理论得到了证实从此，许多国家的科学家开始努力研究如何用电磁波传输信息，这就是无线电通信。1901年英国科学家马可尼成功的实现了无线电信号横越大西洋，可以认为从那时起射频电子技术正式诞生。
二、发展
（一）首先来看一些基站类别。众所周知的标准组织3GPP定义了若干基站类别。这些基站类别有不同名称。宽泛地说，最大的基站或广域基站 （WA-BS） 提供最大的地理覆盖范围和用户数量。其输出功率也最高，必须提供最佳的接收器灵敏度。随着基站逐渐变小，所需的输出功率也减小，接收器灵敏度同时降低。（二）此外，3GPP还定义了不同的调制方案。宽泛地说，对调制方案的实用细分是划分为非GSM调制（包括LTE和CDMA类型的调制）和基于GSM的调制—特别是多载波 GSM （MC-GSM）。在这两大类方案中，GSM在射頻和模拟性能方面要求最高。此外，随着更高吞吐速率的无线电变得越来越普遍，MC-GSM已取代单载波 GSM成为标准。一般来说，支持MC-GSM性能的基站无线电前端也可以处理非GSM性能。支持MC-GSM的运营商在把握市场机会方面拥有更大的灵活性。（三）历史上，基站由分立器件组成。我们相信今天的集成收发器可以取代很多分立器件，同时提供系统优势。但首先，我们需要讨论基站接收器设计的挑战。（四）基站接收器在特定条件下必须达到所需的灵敏度。灵敏度是衡量基站接收器解调手机发出的弱信号的能力高低的品质因数。通过灵敏度可确定基站能够收到手机信号同时保持连接的最 远距离。灵敏度可以按两种方式分类：（五）没有任何外部干扰的静态灵敏度;（六）有干扰的动态灵敏度。（七）静态灵敏度 （八）在工程术语中，灵敏度由系统噪声系数 （NF） 决定。噪声系数越低，意味着灵敏度越高。通过提高增益以实现所需的系统噪声系数，可实现所需的灵敏度，而增益是由一种称为低噪声放大器 （LNA） 的昂贵器件产生。增益越大，LNA的成本和功耗越高。 （九）动态灵敏度 （十）动态灵敏度需要权衡。动态灵敏度意味着静态灵敏度受到干扰会变差。干扰是指接收器上出现的任何不需要的信号，包括来自外界的信号或接收器无意产生的信号，如互调产物。在此背景下，线性度描述系统处理干扰的能力。
现在我们来比较一个简化的收发器接收信号链。可以看到，收发器接收信号链的物料清单少于类似的分立器件信号链。此外，收发器片内含有两个发射器和两个接收器。看似简单的集成隐藏了接收器设计的精致，后者通常可实现 12 dB 的噪声系数。
三、射频接收机拓扑结构
射频接收的前段的主要作用就是能够将载波频率较高的转换到相对较低的，也就是从射频转换到中频，这一过程可以通过下图的结构来实现。
超外差式接收机的最大缺点是组合干扰频率点多，这是因为混频器不是一个理想的乘法器，而是一个非线性器件，会引入大量交调分量，并且镜像干扰的现象最为严重。因此对镜像抑制滤波器的要求非常高。 Hartley结构具有为镜像抑制功能，但是要做到有效的实现镜像抑制接收，必须满足两点要求，两支路尽可能一致，其中包括本振信号的幅度、混频器的増益、低通滤波器的特性：正交要精确，即两路本振信号要尽量做到精确的相差90°。本文后面所设计的镜像抑制混器的设计就是基于该结构。交织型接收机是利用个正交混频器代替90°移相器，可以很好的抑制镜像频率的干扰，但是它在电路结构上较为复杂，所以应用较少。目前随着滤波器制造工艺的提高，与天线相连的滤波器会较大程度上的抑制镜像频率，所以在本文对接收机的讨论中将以超外差型为主。
对于中频的选择，主要有零中频和非零中频两种方案。零中颏方案是让本振频率等于载频，将载频直接下变频为基带的方案，其好处是绝对不存在镜像干扰频率。然而如果零中频方案，本振信号很容易从混颊器的射频口输出，通过高频放大器泄漏到天线，形成对部道的干扰。零中频结构还会产生直流漂移（ DC Offset）。而非零中類则不会产生直流漂移。由于直流漂移会改变各级放大器的直流工作点，另一方面直流漂移的解决方法现在仍然不成熟。
四、结语
本文对CMOS低噪声放大器进行了分析，将传统共源共栅结构看作二级放大器级联形式，并由此引入级间匹配网络。围绕级间匹配网络的实现这一核心问题，推导出级间匹配电路可以用一个串联电感实现。最后用一个2 GHZ CMOS低噪声放大器的设计实例进行验证，仿真结果表明在共源共结构之间引入匹配集成电感后，放大器的噪声和増益性能得到了明显改善。
参考文献：
[1]目育泽;李晋;万天オ一种应用于全球寻航卫星系統的低噪声放大器微电子学：2018年03期
[2]付餛朱红雷;伟全飞;平式完帯低噪声放大器设计り;电子科技;2017年08期