Por qué un buen LNA es clave para un front-end de antena viable

Una de las primeras lecciones sobre RF y enlaces inalámbricos que aprende cualquier estudiante es que las antenas se rigen por el principio de reciprocidad. Esto significa que las características de transmisión y recepción de una antena son idénticas, sin diferencias en atributos como la ganancia de transmisión o recepción, el ancho del haz o los patrones de radiación entre los dos modos. Si conoce las especificaciones de la antena para el modo de transmisión, también las conoce para el modo de recepción. Por supuesto, las antenas para una transmisión de mayor potencia a menudo están hechas de elementos físicamente más grandes según sea necesario para manejar la potencia, pero la reciprocidad aún se mantiene.

Existen algunas investigaciones sobre antenas no recíprocas que utilizan metasuperficies y metalentes, pero están en la etapa de I+D, por lo que no nos competen en este caso.

La reciprocidad es sin duda un principio de diseño simplificador, pero las rutas de los lados de transmisión y recepción son mucho más que solo la antena. El lado de transmisión tiene una tarea bastante fácil, ya que es una función determinista: toma una señal conocida y relativamente fuerte con atributos definidos, que ha pasado por el amplificador de potencia (PA), y la "presenta" a la antena. Hay pocas incógnitas en la ruta, excepto el contenido detallado de la señal que modula la portadora, y eso es en gran parte (pero no del todo) de muy poca importancia para la antena.

En contraste, la ruta de la señal del receptor opera en un escenario mucho más difícil y similar al azar. De alguna manera debe localizar y capturar una pequeña cantidad de potencia de señal de RF y actuar como un transductor de campo electromagnético (EM) para convertir esa potencia en un voltaje utilizable. Debe hacer esto a pesar del ruido presente dentro de la banda y la interferencia de diversos tipos y fuentes, así como algunas desviaciones del transmisor e incluso cambios de frecuencia inducidos por el efecto Doppler en algunas aplicaciones.

Esta potencia recibida es bastante baja, del orden de los milivatios (mW) en algunos casos y de los microvatios (µW) en la mayoría, por lo que el voltaje correspondiente creado en la antena suele ser del orden de los microvoltios. En la mayoría de los casos, el voltaje es demasiado pequeño para ser usado directamente en la demodulación, por lo que la respuesta es obvia: simplemente hay que amplificarlo. Para tener algo de perspectiva, la potencia de la señal recibida para las señales de GPS suele estar entre -127 y -25 decibeles (dB) en relación a un milivatio (dBm), y las señales de Wi-Fi viables oscilan entre -50 dBm y -75 dBm.

La baja SNR es el problema complementario

La solución de amplificación cuenta solo una parte de la historia del receptor. No es difícil amplificar incluso una señal de microvoltios en varios órdenes de magnitud. Sin embargo, la señal original también tiene ruido, y lo que realmente afecta la capacidad de demodular y decodificar la señal recibida es su relación señal/ruido (SNR). Cualquier amplificación de la señal recibida también amplificará el ruido que incluye. El uso de una antena más grande con una ganancia pasiva más alta aumentará la potencia de la señal recibida, pero la SNR recibida no cambiará.

Una de las métricas clave del rendimiento del sistema es la tasa de error de bits (BER) frente a la SNR (Figura 1). Los detalles de esas curvas dependen de muchos factores, incluida la intensidad de la señal recibida, la SNR y el tipo de codificación del código de corrección de errores (ECC) de los datos sin procesar que se utiliza en el transmisor; por esta razón, los gráficos más detallados muestran la BER frente a la SNR para el flujo de bits sin corregir, así como el patrón de bits corregido (QAM = modulación de amplitud en cuadratura).

Figura 1: El gráfico estándar de BER frente a SNR revela mucho sobre el rendimiento del sistema; tenga en cuenta que las técnicas de modulación más avanzadas, como 256-QAM, pueden aumentar la tasa de datos efectiva, pero con una penalización en BER en una SNR determinada. (Fuente de la imagen: Julia Computing, Inc.)

¿Cuáles son algunos valores típicos de SNR que dan como resultado una demodulación exitosa con una BER aceptablemente baja? No hay una respuesta universal, por supuesto, pero una SNR aceptable para una señal de Wi-Fi sería de 20 a 40 dB, de 40 a 50 dB para un televisor totalmente analógico anticuado y aproximadamente lo mismo para los enlaces celulares.

Hay ejemplos extremos, por supuesto: todavía se reciben señales de las naves espaciales Voyager 1 y Voyager 2, ambas lanzadas en 1977 y ahora a más de 11,000 millones de millas de la Tierra. Estas señales llegan aquí desde sus transmisores de 23 vatios con una potencia de señal de menos de un attovatio (una mil millonésima parte de una mil millonésima parte de un vatio) y una SNR de solo unos pocos dB. Para compensar esto hasta cierto punto, la velocidad de datos ahora se reduce alrededor de 100 bits por segundo (bits/s), por debajo de la velocidad de varios kilobits por segundo (Kbits/s) cuando está mucho más cerca con una fuerza de señal recibida mucho más alta.

LNA al rescate

Existe un cliché de ingeniería que se originó en los primeros días de la tecnología inalámbrica y que sigue siendo cierto: si no fuera por el ruido, los desafíos de la mayoría de los diseños de sistemas serían mucho, mucho más fáciles. Esto se aplica al enlace de antena de un receptor por una sencilla razón. El amplificador, que es necesario para “aumentar” la señal débil recibida, aporta su propio ruido a esa señal, al igual que cualquier cableado de interconexión entre la antena y el front-end del receptor.

La necesidad de amplificar la señal recibida presenta un dilema. Por un lado, la señal no amplificada es demasiado débil para ser útil; por otro lado, la amplificación aumenta la magnitud de la señal, pero también degrada la SNR y, por lo tanto, el rendimiento potencial del enlace. Este dilema se resuelve en gran medida al elegir un amplificador que aporte el menor ruido posible.

El amplificador de bajo ruido (LNA) de front-end tiene dos parámetros de interés principal: cuánto ruido agrega a la señal y cuánta ganancia puede proporcionar. Los LNA fabricados con procesadores analógicos altamente especializados hacen una cosa bien (proporcionan ganancia con poco ruido adicional propio) y no son adecuados para aplicaciones que no son LNA.

Un ejemplo es el SKY67180-306LF de Skyworks Solutions, un LNA de alta ganancia de dos etapas para aplicaciones de 1.5 a 3.8 gigahercios (GHz), como repetidores celulares y sitios de células pequeñas/macrocélulas para aplicaciones LTE, GSM y WCDMA, así como receptores de ruido ultrabajo de banda S y banda C (Figura 2).

Figura 2: El SKY67180-306LF de Skyworks Solutions es un LNA de ganancia de 31 dB de dos etapas para 1.5 a 3.8 GHz con 0.8 dB de NF; la primera etapa está optimizada para un coeficiente de ruido bajo, mientras que la segunda etapa proporciona una ganancia adicional. (Fuente de la imagen: Skyworks Solutions)

La primera etapa de este dispositivo QFN de 16 derivaciones utiliza transistores GaAs pHEMT para un coeficiente de ruido ultrabajo (NF), mientras que la etapa de salida (transistores bipolares de heterounión) proporciona una ganancia adicional a esa frecuencia, junto con una alta linealidad y eficiencia. El resultado es un LNA con un umbral mínimo de ruido (NF) de 0.8 dB y una ganancia de 31 dB a 3.5 GHz.

Otro tema crucial es dónde colocar físicamente el LNA; obviamente, es más fácil colocarlo con el resto de los circuitos del receptor. Sin embargo, esto significa que el inevitable ruido térmico del cable que transporta la señal amplificada desde el LNA al sistema se agregará a la señal no amplificada, lo que reducirá aún más la SNR. Por esta razón, incluso las aplicaciones de consumo, como las antenas parabólicas de terminal de muy pequeña apertura (VSAT), colocan el LNA justo en el punto focal de la antena.

Conclusión

Aunque las funciones de transmisor y receptor de antena se rigen por el principio de reciprocidad, sus desafíos reales son diferentes. Para muchas situaciones con antenas de RF, un LNA asignado exclusivamente es a menudo la mejor o la única forma de aumentar el nivel de la señal recibida a un valor utilizable con un impacto mínimo en la SNR. Existen LNA especializados que se adaptan a bandas de frecuencia específicas y con valores de ganancia que pueden resolver el dilema del nivel de señal/SNR.

Contenido relacionado

"Obtenga el máximo provecho de los procesos exóticos para LAN de 5G"

https://www.digikey.com/en/articles/get-the-most-out-of-exotic-processes-for-5g-lnas

"Comprender los principios básicos de los amplificadores de potencia y de bajo ruido en diseños inalámbricos"

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-the-basics-of-low-noise-and-power-amplifiers-in-wireless-designs

"Los amplificadores de bajo ruido maximizan la sensibilidad del receptor"

https://www.digikey.com/en/articles/low-noise-amplifiers-maximize-receiver-sensitivity

Referencias

• Aumente la velocidad de banda ancha: "Guía de configuración del Wi-Fi: ¿cuál es un buen nivel de señal o relación señal/ruido (SNR) para el Wi-Fi?"
• Nordic Semiconductor: "Prueba de funcionalidad para el GPS"
• The Great Courses Daily: "Voyager 2 envía mensajes desde el espacio interestelar con señal mínima"
• Observatorio Nacional de Radioastronomía: "¿Qué intensidad tiene la señal de la nave espacial Voyager 1 cuando llega a la Tierra?"
• IEEE Communications Society: "Voyager: una misión de exploración espacial como ninguna otra"