基于NXP公司TFF1044HN芯片的Ku波段四聯高頻頭設計

李利軍

【摘 要】本文采用NXP公司的TFF1044HN設計四聯高頻頭。該芯片可以應用在10.70GHz到12.75GHzKu波段衛星接收系統中的通用四聯和四驅高頻頭設計中，該芯片集成了高頻頭設計所需的各部分元件。本文詳細介紹了TFF1044HN芯片的芯片功能，并對其前端接口的噪聲系數和增益進行仿真。

【關鍵詞】NXP公司；LNB；Ku波段；TFF1044HN

0 引言

NXP半導體公司在衛星高頻頭（LNB）市場開發兩個款新產品，一款是完全集成的四個降頻變頻器的集成電路芯片（TFF1044HN）和一款利用鍺硅技術的超低噪音在雙極型晶體管（BFU910F）。這些產品可以解決當前的市場上的四聯高頻頭產品的一些問題，例如可以減少設計時間，減小PCB設計尺寸，降低成本等。

1 四聯高頻頭設計方案

1.1 方案介紹

四聯LNB有兩個在Ku波段圓波導中實現的正交模式輸入口，這兩個射頻輸入信號由兩個級聯放大器放大，然后信號經9.75 GHz-10.6 GHz的本地震蕩器由Ku 波段混縮到L波段。四聯高頻頭中除了TFF1044芯片的四個低噪聲放大器（LNA），其他四個線性穩壓器，四個二極管，一個25M晶振等都是電路必須的。二極管可以選用BAV99開關二極管或其他性能相近的二極管。

1.2 機械要求

獨立的四聯高頻頭通常采用兩塊PCB板或者PCB板尺寸更大。例如，基準高頻頭PCB板面積可以達到4500mm2，我們利用TFF1044HN芯片設計的四聯高頻頭應該設計在一塊PCB板上，而且PCB板面積應該盡可能的小。但是這個尺寸受限制于4個射頻借口之間的最小距離。應用TFF1044HN芯片的PCB板子尺寸可以減小到2000mm2，PCB面積縮減近45%。

1.3 設計思想

兩個級聯低噪聲放大器的整體轉換增益是確定的。第一級低噪聲放大器選擇一款常用的具有優秀噪聲系數的高電子遷移率晶體管（pHEMT）。第二級是NXP的雙極性晶體管（BJT），與典型的pHEMT設備相比，這個晶體管大約有最小1.5dB的增益。TFF1044芯片可以為第一和第二級的提供偏振。第一級用于pHEMT的可調偏振電流。第二級是可選擇pHEMT 和BJT的可調偏振電流。NXP 公司的BJT芯片，例如BFU910F有電源電流優勢跟pHEMT相比，它可以提供大約3mA給每個LNA. 帶通濾波器被應用以增加整個圖像抑制。這個過濾器使46dB的PCB級平均圖像抑制有了實現的可能。電源拓撲結構的選擇是使用四個線性穩壓器（6V），每個IF通道1個，并溝通簡單的二極管與他們的輸出結合。利用集成芯片設計高頻頭產品的PCB設計目標是在保證良好的射頻性能和安全的中頻接口時，能設計出最小的PCB面積。

2 TFF1044HN芯片介紹

TFF1044HN芯片是一款集成的下變頻器，它可以應用在10.70GHz到12.75GHzKu波段衛星接收系統中的通用四聯和四驅高頻頭設計中。該芯片集成了高頻頭設計所需的混頻器，本地振蕩器，中頻（IF）放大器，IF開關矩陣，電壓、信號極性檢測和一對兩級低噪聲放大器（LNA）的高電子遷移率晶體管（pHEMT）偏置控制。該芯片可以被用來設計一款具有兩路RF輸入和四路IF輸出的產品，并且可以大大減小PCB尺寸（圖1）。

設計完成一個四聯高頻頭，除了芯片TFF1044，僅僅需要很少的外部元件，包括低噪聲放大階段，25MHz振蕩器，電壓調節器，2個二極管對，還有一些無源電路。相對于設計獨立的四聯高頻頭，這種設計方案的元件數明顯減少。TFF1044HN芯片為了便于應用，通過使用其控制引腳為設計者提供了一些設計的靈活性，各引腳的設置方法介紹如下：

POL_SWAP / MODE_SEL：這個引腳作為偏振交換選擇引腳，能使PCB路由最佳Ku波段射頻路徑。根據表1數據，垂直和水平的極化被分配到射頻路徑A和B上，四驅模式操作設置也在同一張表上。

GAIN_SET：這個引腳提供一個三級可調增益。TFF1044有一個可調的增益態是為了能夠讓設計者自由設置LNB的整體增益。通過GAIN_SET引腳的外部連接，它的轉換增益可以設置為30dB，33dB或者36dB。該引腳接GND是30dB低增益，浮空是33dB中增益，經由100100kΩ電阻下拉接地則是36dB高增益。

2AB_TYPSEL：這個引腳是為第二級放大器使能不同的偏執，其取決于所選方案，如雙極性晶體管（BJT）或高電子遷移率晶體管（pHEMT）。TFF1044芯片把2級LNA使用不同類型的晶體管的靈活性交給設計者，引腳5接GND放大類型是pHEMT，接Float放大類型是BJT。

1AB_ISET / 2AB_ISET：這些引腳分別設置低噪聲放大器（LNA）的第1、第2階段的電流。低噪聲放大器晶體管的參數，無論是高電子遷移率晶體管（pHEMT）還是雙極性晶體管（BJT），都取決于pHEMT的漏極電路或BJT的集電極電流。所以用一個電流源代替一個電壓源去驅動晶體管會更可靠。TFF1044HN 有能力為晶體管提供像低噪聲放大器第1、第2級所需的兩種極性的驅動電流源。TFF1044HN芯片允許設計者分別獨立配置2級的電流。對于pHEMT的典型漏極電流是10mA，相應的必須要外接一個22kΩ的上拉電阻到該引腳。BFU910F的典型驅動電流時6-7mA，那么在2AB_ISET引腳相應的電阻式33 kΩ。

3 性能仿真測試

前端接口包括兩級低噪聲放大器，與輸入匹配的圓波導，中間級的匹配電路和輸出電路，輸出電路包括輸出匹配，帶通濾波器（BPF）和50Ω的傳輸線。砷化鎵場效應管NE3503M04和雙極性晶體管BFU910分別被用在第一、第二級噪聲放大器中。圓波導被用作輸入接口，其與輸入匹配電路的參數存儲在原理圖中的S4P模型中。

4 結論

本文采用NXP公司的TFF1044HN設計四聯高頻頭。該芯片可以應用在10.70GHz到12.75GHzKu波段衛星接收系統中的通用四聯和四驅高頻頭設計中。該芯片集成了高頻頭設計所需的各部分元件。本文詳細介紹了TFF1044HN芯片的芯片功能及其在過程中的問題。希望對采用TFF1044HN芯片設計高頻頭的設計人員有所幫助。

【參考文獻】

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[責任編輯：楊玉潔]