Perché un buon LNA è fondamentale per un front-end dell'antenna valido

Una delle prime lezioni sui collegamenti wireless e RF che qualsiasi studente impara è che le antenne rispondono al principio di reciprocità. Questo significa che le caratteristiche di trasmissione e ricezione di un'antenna sono identiche, senza alcuna differenza in attributi come il guadagno di trasmissione o ricezione, la larghezza del fascio o la distribuzione dell'irradiazione tra le due modalità. Se si conoscono le specifiche dell'antenna in modalità di trasmissione, le si conosce anche in modalità di ricezione. Ovviamente, le antenne per una trasmissione di potenza più elevata sono spesso costituite da elementi fisicamente più grandi, come necessario per gestire la potenza, ma la reciprocità rimane valida.

Si stanno eseguendo alcuni studi su antenne non reciproche che utilizzano metasuperfici e metalenti, ma sono ancora in fase di ricerca e sviluppo ed esulano dall'ambito di questo articolo.

La reciprocità è certamente un principio di progettazione semplificante, ma nei percorsi dell'antenna lato trasmissione e ricezione c'è molto altro a parte l'antenna. Il lato di trasmissione ha un compito abbastanza facile perché è una funzione deterministica: prende un segnale noto, relativamente forte con attributi definiti, che è passato attraverso l'amplificatore di potenza (PA), e lo "presenta" all'antenna. Nel percorso ci sono poche incognite, tranne il contenuto dettagliato del segnale che modula la portante, e questo non desta in genere grandi preoccupazioni per l'antenna.

Per contro, il percorso del segnale del ricevitore opera in uno scenario molto più difficile, di tipo "casuale". Deve in qualche modo localizzare e catturare una piccola quantità di potenza del segnale RF e agire come un trasduttore di campo elettromagnetico (EM) per convertire quella potenza in una tensione utilizzabile. Deve anche farlo nonostante il rumore in banda e interferenze di vari tipi e sorgenti, così come una certa deriva del trasmettitore e, in alcune applicazioni, anche le variazioni della frequenza indotte dall'effetto Doppler.

La potenza ricevuta è piuttosto bassa, per lo più dell'ordine dei microwatt e a volte non superiore ai milliwatt. Quindi la tensione corrispondente creata nell'antenna è di solito dell'ordine dei microvolt. Nella maggior parte dei casi, la tensione è troppo piccola per essere usata direttamente per la demodulazione, quindi la risposta è ovvia: basta amplificarla. Per avere un qualche termine di paragone, la potenza del segnale ricevuto per i segnali GPS è tipicamente tra -127 e -25 dB rispetto a un milliwatt (dBm) e i segnali Wi-Fi validi vanno da -50 dBm a -75 dBm.

Un basso rapporto segnale/rumore (SNR) è il problema complementare

Risolvere con l'amplificazione è solo una parte della storia del ricevitore. Amplificare anche un segnale di microvolt di diversi ordini di grandezza non è difficile. Tuttavia, anche il segnale originale ha del rumore e ciò che influenza realmente la capacità di demodulare e decodificare il segnale ricevuto è il suo rapporto segnale-rumore. Qualsiasi amplificazione del segnale ricevuto amplificherà anche il rumore incorporato. L'utilizzo di un'antenna più grande con un guadagno passivo superiore aumenterà la potenza del segnale ricevuto, ma l'SNR ricevuto rimarrà invariato.

Una delle metriche chiave delle prestazioni del sistema è il suo tasso degli errori di bit (BER) rispetto al rapporto segnale/rumore (SNR) (Figura 1). Le specifiche di queste curve dipendono da molti fattori tra cui l'intensità del segnale ricevuto, SNR, e dal tipo di codifica del codice di correzione errori (ECC) dei dati grezzi usato nel trasmettitore. Per questo motivo, i grafici più dettagliati mostrano il BER rispetto all'SNR per il flusso di bit grezzo, non corretto, così come il modello di bit corretto (QAM = modulazione dell'ampiezza in quadratura).

Figura 1: Il grafico standard di BER rispetto a SNR rivela molto sulle prestazioni del sistema. Osservare che tecniche di modulazione più avanzate come 256-QAM possono aumentare la velocità dati effettiva, ma penalizzando BER a un dato SNR. (Immagine per gentile concessione di Julia Computing, Inc.)

Quali tipici valori SNR risultano in una demodulazione di successo con un BER accettabilmente basso? Ovviamente non esiste una risposta universale, ma un SNR accettabile per il segnale Wi-Fi va da 20 a 40 dB, da 40 a 50 dB per una vecchia TV interamente analogica e circa lo stesso per i collegamenti cellulari.

Ci sono anche esempi estremi: i segnali inviati dalle sonde spaziali Voyager 1 e Voyager 2, lanciate entrambe nel 1977 e ora a quasi 23 miliardi di chilometri dalla Terra, continuano a essere ricevuti. Questi segnali ci arrivano dai loro trasmettitori da 23 W con una potenza di segnale inferiore a un attowatt (un miliardesimo di miliardesimo di watt) e un SNR di pochi dB. Per compensare in una certa misura la cosa, la loro velocità di trasmissione dati ora è ridotta a circa 100 bit/s, rispetto ai diversi kilobit/secondo quando le sonde erano molto più vicine con una potenza del segnale ricevuto molto più alta.

Gli LNA vengono in soccorso

Nei primi giorni del "wireless" è nato un cliché ancora vero oggi: se non fosse per il rumore, le sfide della maggior parte dei progetti di sistema sarebbero molto, molto più facili. Questo è vero per il collegamento dell'antenna di un ricevitore per una semplice ragione. L'amplificatore, che è necessario per "incrementare il guadagno" del debole segnale ricevuto, contribuisce di suo ad aumentare il rumore di quel segnale, come fa qualsiasi cablaggio di interconnessione tra l'antenna e il front-end del ricevitore.

La necessità di amplificare il segnale ricevuto pone un dilemma. Da un lato, il segnale non amplificato è troppo debole per essere utile; dall'altro l'amplificazione aumenta la grandezza del segnale, ma degrada anche l'SNR e quindi le prestazioni potenziali del collegamento. Il dilemma viene risolto in gran parte scegliendo un amplificatore che contribuisca ad aumentare il meno possibile il rumore.

L'amplificatore a basso rumore (LNA) front-end ha due parametri di interesse primario: la quantità di rumore che aggiunge al segnale e la quantità di guadagno che può fornire. Gli LNA fabbricati con processori analogici altamente specializzati forniscono un guadagno aggiungendo pochissimo rumore e non sono idonei per applicazioni non-LNA.

Un esempio è SKY67180-306LF di Skyworks Solutions, un LNA a due stadi e alto guadagno per applicazioni da 1,5 a 3,8 GHz come i ripetitori cellulari e siti a celle piccole/macro per applicazioni LTE, GSM e WCDMA, e i ricevitori a bassissimo rumore in banda S e in banda C (Figura 2).

Figura 2: SKY67180-306LF di Skyworks Solutions è un LNA a due stadi, con guadagno di 31 dB da 1,5 a 3,8 GHz con una cifra di rumore (NF) di 0,8 dB. Il primo stadio è ottimizzato per la cifra di rumore basso mentre il secondo stadio fornisce un guadagno aggiuntivo. (Immagine per gentile concessione di Skyworks Solutions)

Il primo stadio di questo dispositivo QFN a 16 conduttori utilizza transistor GaAs pHEMT per una cifra di rumore (NF) ultrabassa, mentre lo stadio di uscita (transistor bipolari di eterogiunzione) fornisce un guadagno aggiuntivo a quella frequenza, insieme ad alta linearità ed efficienza. Il risultato è un LNA con una cifra di rumore (NF) di 0,8 dB e 31 dB di guadagno a 3,5 GHz.

Un altro aspetto critico riguarda la posizione fisica dell'LNA; è ovviamente più facile metterlo assieme al resto della circuiteria del ricevitore. Tuttavia, questo significa che l'inevitabile rumore termico del cavo che trasporta il segnale amplificato dall'LNA al sistema si aggiungerà al segnale non amplificato, riducendo ulteriormente l'SNR. Per questo motivo, anche applicazioni consumer come le antenne satellitari VSAT (terminali con apertura molto piccola) mettono l'LNA proprio nel punto focale dell'antenna.

Conclusione

Anche se le funzioni del trasmettitore e del ricevitore dell'antenna aderiscono al principio di reciprocità, le loro sfide effettive divergono. Per molte situazioni di antenne RF, un LNA dedicato è spesso il modo migliore o l'unico per aumentare il livello del segnale ricevuto fino a un valore utilizzabile, ma con un impatto minimo sull'SNR. Sono disponibili LNA specializzati, personalizzati per bande di frequenza specifiche e con valori di guadagno che possono risolvere il "dilemma" del livello di segnale/SNR.

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Riferimenti

• Aumentare la velocità della banda larga, "Guida alla configurazione Wi-Fi. Qual è un livello di segnale o rapporto segnale-rumore (SNR) buono per Wi-Fi?"
• Nordic Semiconductor, "Test della funzionalità GPS"
• The Great Courses Daily, "Voyager 2 invia messaggi dallo spazio interstellare con un segnale minimo"
• National Radio Astronomy Observatory, "Quanto è forte il segnale della sonda Voyager 1 quando raggiunge la Terra?"
• IEEE Communications Society, "Voyager - Una missione di esplorazione spaziale che non ha eguali"