1.9GHz基站前端射频LNA仿真与实现研究

1．3 线性和非线性仿真分析

放大电路原理图如图3所示。模拟分析要以每个元件的模型来载人仿真软件ads。ATF-54143的模块化文件是一个双端口s参数且为Touchstone格式的文件，ads模拟软件中sparams_wNoise模板可以实现模拟控制。在系统稳定性前提下，当电路元件载入到模拟电路中时，电路越详尽则模拟结果就越精确，越精确的模拟结果为实际的放大器电路的布局提供更为精确的数据。传输线模型的实现可以用元件库中得到的各种微带线实现，并且片电容和片电阻的关联电感也都载人到模拟电路中，这时全部微带部分都可设置为厚度为0.31英寸、型号为FR-4的材料板上。

混合耦合器2A1306-3的模型是基于四端口的Touchstone线性s参数文件。它与微带线部分、电路平衡放大器的输入输出部分及负载阻抗构建起放大器的完整模块结构。运行模拟软件，就要给出系统的仿真结果宜，以表明所需结构的性能。模拟得到的NF、增益(G)、输入输出回波损耗结果如图4、图5、图6所示。这些图表示了LNA在工作频率范围的性能。

对于非线性模拟，常以谐波平衡模拟(HB)来实现。非线性模拟方法HB计算速度快，能够处理分布元件和分立元件的电路，并很容易与更高阶谐波及互调元件相容。ATF-54143管的PldB和OIP3模拟非线性模型是基于W．R．Curtice模型，这个模型可以非常近似地模拟直流和小信号工作状态(包括噪声)，对于截点的模拟则做出模拟预测结果比实际值要偏低。P1dB和OIP3的值如麦2所示：当平衡LINA放大器的OIP3模拟结果为32．1dBm时，P1dB则为20．8dBm，P1dB的模拟结果与实乐的测量结果很接近，而OIP3的模拟结果则偏低，实际均测量结果达到37dBm。

表2 P1dB和输出三阶截点非线性模拟值

1．4 LNA的稳定性分析

除了能够得出增益、NF、P1dB和输入输出回波等重要参数外，软件模拟还能够得出关于电路设计稳定性的信息。它是电路能否正常工作的重要前提。模拟软件计算Rollet稳定性因子K和作稳定性圆是两种很容易做到的方法，它们可以明确地表示出稳定性的数据。图7示出的Rollett稳定因子K的模拟值．(K＞1)表明：在1．9"2；．0GHz工作带宽范围，电路能够实现无条件稳定。

1．5 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1．92GHz"1．98GHz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0．031英寸厚的FR-4材料上(正常条件下其Er值是5．6)，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0．1GHz的频率范围内NF的值在0．8dB和1．0dB之间，增益在1．97CHz达到最大值15．5dB，在1．99GHz达到了15．3dB。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1．96GHz时，输入回波为18dB，输出回波达到22．5dB，放大器的OIP3在直流偏置Vds=3V,Id=60mA时测得值为37dBm，P1dB为21．4dBm。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36．5dBm。



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较好地吻合，E-pHEMT管的低噪声系数和高OIP3使它在高动态范围电路设计上具有很大的优势，并且该放大器的技术指标达到了CDMA基站的接收前端对低噪声放大器的规范要求，具有很好的应用前景。