一種W波段寬頻帶低噪聲放大器設計

博微太赫茲信息科技有限公司 中國電子科技集團公司第三十八研究所 武 帥 高炳西 馮 輝

引言

低噪聲放大器一般位于接收機或輻射計的前端，主要用于放大微弱的接收信號，根據(jù)級聯(lián)系統(tǒng)噪聲系數(shù)分析方法，其性能直接影響系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)及靈敏度，對于降低接收前端系統(tǒng)噪聲干擾，提高整體性能起著至關重要的作用。因此，低噪聲放大器一直是雷達、通信和電子對抗等系統(tǒng)中的關鍵微波部件，有著廣泛的軍用和民用價值。

隨著通訊、航天、空間技術的發(fā)展，電磁波譜資源越來越擁擠，國際社會加大了高頻率段電磁波譜的開發(fā)力度，毫米波、亞毫米波芯片與器件逐漸成熟。國內外已有很多關于毫米波低噪聲放大器芯片的報道，采用的工藝技術有GaAs HEMTs[1][2]、InP HEMTs[3][4]等。其中, InP HEMTs具有高增益、高電流截止頻率、低噪聲以及低直流功耗等優(yōu)點。目前，在W波段具有代表性的商用低噪聲放大器芯片有（1）法國OMMIC公司的型號為CGY2190UH/C2的寬帶低噪聲放大器芯片。該芯片采用70nm MHEMT工藝技術，由4級級聯(lián)放大器組成，工作頻率75～110GHz，噪聲系數(shù)典型值2.8dB，帶內增益典型值23dB。（2）美國Northrop Grumman公司型號為ALP283的低噪聲放大器芯片，該芯片采用0.1um InP HEMT工藝技術，工作頻率80～100GHz，由5級放大器組成，噪聲系數(shù)典型值2.5dB、噪聲系數(shù)平均值2.1dB，帶內增益典型值29dB。（3）瑞典Gotmic公司型號為gANZ0017A低噪聲放大器芯片，工作頻率75～110GHz，噪聲系數(shù)典型值5dB，增益系數(shù)典型值17dB。（4）中國電子科技集團第13所型號為M3N1605的低噪聲放大器芯片，工作頻率75～110GHz，噪聲系數(shù)典型值3.0dB，增益系數(shù)典型值20dB。

本文將介紹一款基于OMMIC公司型號為CGY2190UH/C2芯片的寬帶低噪聲放大器模塊的設計。

1.總體設計

本文闡述的W波段低噪聲放大器總體設計指標如下：

工作頻率范圍：75～110GHz

帶內增益：>20dB

噪聲系數(shù)：3.0dB（典型值）

輸入輸出接口：WR10·UG/387-M

電源輸入：DC+5V

低噪聲放大器的輸入輸出接口為標準的WR10波導接口，需要將波導的TE10模轉換成適合平面微波電路傳輸方式，以滿足低噪聲放大器單片的設計需要。輸入電源為DC+5V，而低噪聲放大器單片柵極電壓為0～-0.1V，漏極電壓為+1～+1.2V，需要設計相應的偏置電路。根據(jù)設計指標要求，低噪聲放大器總體設計方案如圖1所示。

圖1 低噪聲放大器總體設計方案

2.波導-微帶變換器設計

波導微帶轉換過渡器是將波導傳播的TE10模式轉換成適合平面微波集成電路傳輸模式，解決波導電路與平面微波電路間合理連接和阻抗匹配問題，保證系統(tǒng)的最佳工作性能。目前，根據(jù)平面微波集成電路形式，廣泛應用于100GHz左右的波導過渡器主要有波導-微帶過渡器、波導-鰭線過渡器、波導-懸置微帶線過渡器以及波導-介質波導過渡器等形式。其中，波導-微帶過渡器存在兩種形式：[5]（1）脊波導變換器，它是利用多級1/4階梯脊波導阻抗變換器完成從波導阻抗到微帶線特性阻抗匹配。在頻率較高時，加工制造與裝配難度高，不易于實現(xiàn)。（2）波導-微帶探針變換器：波導-微帶探針是在波導的寬邊或窄邊中心插入波導腔內，通過調節(jié)微帶探針寬度與位置來調節(jié)微帶探針匹配系數(shù)及特性阻抗。

根據(jù)低噪聲放大器單片射頻輸入輸出結構形式與機械制造與裝配工藝水平，我們采用E面波導-微帶探針變換器（從波導寬邊中心插入，探針平面方向平行于波導傳輸方向），作為波導到微帶轉換。其結構如圖2所示。

圖2 E面波導-微帶探針變換器結構

波導探針基板采用容熔態(tài)SiO2，為減小微帶與芯片互聯(lián)時由高度差引起的插入損耗與駐波惡化，基板厚度與低噪聲放大器芯片厚度保持一致為0.1mm。表層采用濺射厚度>2um純金層，同時滿足微波傳輸與金絲鍵合的要求。為了抑制轉換過程中高次模傳輸，波導探針上部開口高度0.26mm；通過高阻抗傳輸線來抵消波導E面開口寄生電感，同時起到阻抗變換與拓展帶寬的目的。根據(jù)低噪聲放大器芯片輸入阻抗要求，探針輸出阻抗為50ohm。為了方便探針焊接對位精度，設計中將高阻抗線的起始邊沿與波導邊沿重合。

圖3 波導-微帶變換器

為測試波導-微帶變換器傳輸特性，我們設計了“背靠背”式兩只完全一致的波導-微帶變換器，其仿真模型與測試結果如圖3所示。

從測試結果上看，“背靠背”式波導-微帶變換器在75～110GHz范圍內插入損耗約為0.3～0.55dB，較仿真結果高約0.25dB，這主要是由于波導連接的不連續(xù)性和剖分的波導結構造成的插入損耗。全頻帶范圍內單只波導-微帶變換器的插入損耗（S21）<0.28dB，基本滿足設計要求。

3.W波段低噪聲放大器模塊設計與測試

有源微波電路需要給芯片提供合適的工作電壓，為了避免射頻信號對直流偏置電路的干擾與影響，采取射頻與直流分腔處理的方式。

本文中闡述的低噪聲放大器柵極電壓為0～-0.1V，漏極電壓為+1～+1.2V，在直流腔內通過線性電源穩(wěn)壓芯片將輸入的DC+5V電壓轉換到需要的電壓值，再通過穿心低通濾波器穿入射頻腔，通過并聯(lián)的400pF、100pF芯片電容給低噪放的各級供電，并采用柵極與漏極分兩側供電的方式；穿心低通濾波器的作用主要是用于增加射頻腔與直流腔的隔離度，芯片電容主要作用為濾除直流電壓紋波并去耦合泄露射頻的射頻。設計模型如圖4所示。

圖4 W波段寬帶低噪聲放大器設計模型

由于低噪聲放大器芯片采用無封裝的“裸片”形式，當“裸片”被封裝在金屬腔體內部后，由于其工作波長與金屬腔體的特征長度相當，腔體的諧振頻率會與組件的工作頻率重合，腔體內部容易產生諧振現(xiàn)象，進而影響組件的正常工作。所以低噪聲放大器模塊設計需要分析腔體的諧振特性，對保證組件的穩(wěn)定工作具有非常重要的指導意義。工程上較常見的方法是通過合理設計腔體尺寸、在腔體內壁面粘貼或涂抹吸波材料等方法消除組件內的腔體效應。可以通過HFSS仿真S參數(shù)計算方法與本征模求解方法分析低噪聲放大器的腔體效應。通過合理腔體的結構設計，有效抑制了工作頻帶范圍內腔體的低次模產生，65～120GHz范圍內腔體的最低階模數(shù)為（2,0,2），屬于高階模式，其主模諧振頻率不在低噪聲放大器的工作頻率范圍，可認為該腔體狀態(tài)下不存在對組件工作穩(wěn)定性造成影響的腔體效應。圖5為設計的低噪聲放大器模塊內部低階模（2,0,2）電場強度分布。

圖5 腔體內低階模（2,0,2）電場強度分布

采用中國電子科技集團公司第四十一研究所生產的矢量網絡分析AV3672D及其擴頻模塊AV3640A測試了模塊的增益系數(shù)，其測試結果如圖6所示。全頻帶增益系數(shù)～20dB,高頻段（>100GHz）相對設計略低，初步分析者這主要是高頻部分受金絲互聯(lián)及波導微帶變換器插入損耗及駐波比較差導致的。全頻帶范圍內與在片測試結果基本一致。

圖6 低噪聲放大器模塊增益系數(shù)測試結果

采用噪聲分析儀3986E及其相應的擴頻模塊AV82411L（75-88GHz）；AV82411N(86.5-100GHz)測試其噪聲系數(shù)，測試結果如圖7所示。受噪聲分析儀測量范圍限制，只進行了75～100GHz噪聲系數(shù)測試；全頻帶噪聲系數(shù)～3.0dB，滿足設計指標要求。

圖7 低噪聲放大器模塊噪聲系數(shù)測試結果

4.結論

本文介紹了一種利用OMMIC公司的型號為CGY2190UH/C2的寬帶低噪聲放大器芯片設計的W波段寬帶低噪聲放大器模塊。通過優(yōu)化波導微帶變換器插入損耗，分析其內部腔體效應，保證了低噪聲放大器模塊的穩(wěn)定工作。實驗測試結果顯示，研制出的低噪聲放大器模塊符合設計指標要求，帶內噪聲系數(shù)優(yōu)于3.0dB，增益>20dB，有效工作帶寬75～110GHz，性能較好，可廣泛適用于通信、人體安檢等應用領域。

[1]Wang H,DOW GS,ALLEN B R,et al.,High performance W band monolithic InGaAs pseudomorphic HEMT LNAs and design analysis methodology, IEEE Trans on MTT2S ,1992,40(3):4172428.

[2]TU D W,BERKW P,BROWN S E,et al.High gain monolithic p-HEMT W band four stage low noise amplifiers,Microwave and Millimeter2Wave Monolithic Circuits Symp.San Diego,USA, 1994:29232.

[3]WANG H,LAI R,CHEN T H,et al.A monolithic W band three stage LNA using 0.1 μm InAlAs/ InGaAs/InP HEMT technology, IEEE MTT2S Dig.Atlanta,GA,USA,1993:5192522.

[4]WEINREB S,LAI R,ERICKSON N,et al.,W band InP wideband MMIC LNA with 30 K noise temperature[C].IEEE MTT2S Int Microwave Symp.Anaheim,USA,1999:1012104.

[5]鄭國寶,盛奕建,等.毫米波儀器的頻率擴展技術[C].中國微波毫米波測試技術論文集,PP 190～194.