[发明专利]毫米波低噪声放大器与移相器组合系统优化方法

说明书

一种毫米波低噪声放大器与移相器组合系统优化方法，通过设置变压器作为组合系统中的正交耦合器的主体部分，根据工作频率计算正交耦合器所需并联电容以及输出阻抗初始值，优化LNA的变压器反馈部分以使LNA的变压器两线圈等效电感之比的平方根n和耦合系数k₁最大化，计算最优噪声情况下MOSFET的跨导，通过调节MOSFET直流偏置点和尺寸使实际跨导达到最优值。本发明针对LNA与PS组合系统和VMPS的缺点，结合RFFE中LNA的电路结构，通过复用QHC实现LNA的宽带噪声匹配，同时生成用于矢量调制的正交信号以实现有源移相，达到节省面积的目的。

技术领域

本发明涉及的是一种射频通信领域的技术，具体是一种基于正交耦合器前置的毫米波低噪声放大器与移相器组合设计方法。

背景技术

5G移动通信延伸至毫米波波段时，需利用多天线相控阵系统进行波束形成(beamforming)，从而克服毫米波空间信号衰减的问题。移相器(PS)作为相控阵的核心元件，其分辨率直接决定系统波束形成的分辨率，主流的射频移相器包括多种结构。反射型移相器(RTPS)无需直流功耗，可实现连续移相，但带宽和移相范围不足；开关型移相器(STPS)是另一种无源结构，线性度好，但插入损耗和面积大；有源矢量合成移相器(VMPS)分辨率高，面积适中，插入损耗可控，但它的带宽仍然受到正交耦合器的限制。与此同时，射频前端(RFFE)中低噪声放大器(LNA)与移相器和天线均需要阻抗匹配，带来额外的面积开销和损耗。

发明内容

本发明针对现有技术频率较低且正交耦合器(QHC)输出不平衡带来的额外噪声影响等缺陷，提出一种毫米波低噪声放大器与移相器组合系统优化方法，针对LNA与PS组合系统和VMPS的缺点，结合RFFE中LNA的电路结构，通过复用QHC实现LNA的宽带噪声匹配，同时生成用于矢量调制的正交信号以实现有源移相，达到节省面积的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明通过设置变压器作为组合系统中的正交耦合器的主体部分，根据工作频率计算正交耦合器所需并联电容以及输出阻抗初始值，优化LNA的变压器反馈部分以使LNA的变压器两线圈等效电感之比的平方根n和耦合系数k₁最大化，计算最优噪声情况下MOSFET的跨导，通过调节MOSFET直流偏置点和尺寸使实际跨导达到最优值。

所述的组合系统，包括依次相连的正交耦合器、低噪声放大器组以及可编程增益放大器，其中：正交耦合器经单端输入产生I、Q两路信号并通过CG级的低噪声放大器组放大，经可编程增益放大器调制后合成输出差分信号。

所述的变压器的两线圈等效电感L₃相同并最小化同时保证最大化耦合系数。

优选地，当LNA与QHC未幅度匹配，降低n并重新调节g_m，如此往复直至满足LNA与QHC幅度匹配的条件。

技术效果

本发明整体解决了现有VMPS带宽受QHC或其它多相生成网络影响较大、LNA与天线和VMPS之间的阻抗匹配网络带来较大的插入损耗和面积开销以及QHC输出不平衡带来的额外噪声影响的问题。

与现有技术相比，本发明将LNA插入VMPS中，并对LNA输入端的噪声和幅度匹配做出优化，使得QHC同时实现宽带阻抗变换、噪声匹配和正交信号产生，减少了额外LNA阻抗匹配网络的需要，节省面积，同时提高带宽。受后续PGA控制影响，用于矢量合成的QHC无需输出精确校准。本发明将QHC与LNA相连，避免LNA前阻抗匹配网络的插入损耗带来的噪声，同时又对LNA的噪声匹配做出具体分析。

附图说明

图1为LNA-PS系统示意图；

图2为QHC与第一级LNA原理示意图；

图3为变压器版图QHC示意图；