1.9G基站前端LNA的仿真实现.doc

1.9GHz基站前端射频LNA仿真与实现研究 摘要：以E-pHEMT管实现基站接收机前端平均结构低噪声放大器（LNA），并以3dB混合耦合器实现功率分配与合路。首先以设计规范和FET管的要求来取得适当的偏置及匹配电路，对管脚源端的电感值进行优化，得出方案设计原理图。然后对原理电路加以线性及非线性仿真分析，模拟出电路的运行结果。最后得出PCB板的实际测量结果；在电路工作频率1.92GHz1.98GHz频段设计的模拟结果与电路实际测量值十分吻合，其线性度十分良好。 关键词：截点 E-pHEMT 平衡结构 LNA 仿真很多情况下，因为基站与移动设备不平衡连接的缘故，从基站到移动设备的信号强度和传输距离都要超过移动设备向基站的反向传输，并且由干天线与基站间的反馈损耗，使得这种不平衡性变得更大。为了改善这种不平衡性，扩大基站接收的覆盖面，最直接的解决方案是加装塔装放大器TMA或Masthead放大器。而TMA中最重要的模块LNA(如图1所示)对接收的信号具有选频功能，并把选频后的信号进行低噪声放大，使系统灵敏度增强，覆盖半径增大。1 LNA的设计11 LNA结构选择通常，在LNA的设计中主要考虑低噪声系数(NF)、足够的增益(G)和绝对的稳定性。对于本文TMA放大器中LNA设计的实际技术规范要求如表1所示。同时要求所使用的LNA结构满足良好的输入输出匹配，保证LNA的稳定性，兼顾到功分合路网络的低损耗、几何尺寸小，工作带宽内良好的相位和幅度匹配，足够的工作带宽(涵盖在195GHz左右)，符合CDMA标准上行频率。据此选择了以平衡结构为特征的LNA结构(如图2)。这种平衡结构的重要特性是：它较单阶放大器的截点高出一倍，并以标准50实现输入输出匹配，在某一路硬件失效时电路的冗余设计可保证系统的正常运行。但通常增益减少6dB。表1 LNA主要技术规范列表参 数量 值工作频率1.92GHz1.98GHz增益14.5dB15.5dB噪声系数36dBmP1dB21dBm带内增益波动0.5dB输入回汉损耗15.5dB输出回波损耗15.5dB偏置电流1)表明：在192；0GHz工作带宽范围，电路能够实现无条件稳定。15 实际设计的PCB电路根据上述的设计及仿真结果，依照图3所示的放大电路原理图，可以进行最后的实际布局。要使电路工作在192GHz198GHz频率范围内满足规范值，PCB板的布局设计应可以变化调节，即可加入或减掉某些元件，使输入输出阻抗匹配网络可以调节匹配达到最佳，优化电路性能。考虑到实际应用的广泛性(同时也考虑设计中的其他因素的影响)，PCB板的蚀刻选择在0031英寸厚的FR-4材料上(正常条件下其Er值是56)，LNA的射频布局主要准则是电路必须保证平衡的结构，且放大器的每条支路的路径长度必须相等。如果长度不相同，结果则会影响信号的相位求和，并且输出功率和IP3都要比预期值要低。为做到这点，下路的ATF-54143逆时针旋转了90，这样很容易把上下RF微带通路复制出来，从而做到两路完全相同、实现平衡。2 实际测量结果得到了完整的电路PCB板后，就要实际测量电路的各个参数，验证设计的仿真结果是否与之相符，是否最终符合表1的设计技术规范。本文所采用的测试仪器是HP8753ES网络分析仪和HP8970B噪声仪。图8、图9表达出放大器实测的NF和增益曲线，在带宽为01GHz的频率范围内NF的值在08dB和10dB之间，增益在197CHz达到最大值155dB，在199GHz达到了153dB。由于NF是在实际PCB板外腔体内测得的，包含了同轴连接器的损牦和二级噪声损耗，其测量指标表明实际的电路NF特性要稍差于模拟特性。图10是输入、输出的回波曲线。当频点在196GHz时，输入回波为18dB，输出回波达到225dB，放大器的OIP3在直流偏置Vds=3V,Id=60mA时测得值为37dBm，P1dB为214dBm。电路在较低的偏置状态下Vds=3V，Id=40mA放大器的NF和增益都没有降低，只有OIP3测出下降为365dBm。图10 从以上结果可以看出，LNA放大器在工作频带具有优异的性能，完全满足技术规范参数。本文给出了基于E-pHEMT管ATF-54143和混合耦合器2A1306-3的射频低噪声放大器的设计、仿真分析与测试。测试结果表明，实际测得的LNA技术指标能够与仿真结果