基于GaAs工藝的Ku波段高增益低噪聲放大器

賈瑞林　王云秀　段寅龍　樊 琴　

基于GaAs工藝的Ku波段高增益低噪聲放大器

賈瑞林1王云秀1段寅龍2樊 琴1

（1.西華師范大學電子信息工程學院，四川 南充 637009；2.西華師范大學物理與天文學院，四川 南充 637009）

文章采用0.13 μm GaAs PHEMT工藝技術設計了一款MMIC低噪聲放大器（LNA），該低噪聲放大器工作頻段為13～17 GHz，采用了雙電源供電的兩級放大結構，偏置電路采用電感加并聯電容的濾波結構來隔離直流信號與射頻信號，在第二級放大器的柵極和漏極之間引入負反饋網絡來增加電路的穩(wěn)定性、拓展放大器的帶寬和改善增益平坦度。仿真結果表明：在13～17 GHz頻帶范圍內，低噪聲放大器的噪聲系數小于1.8 dB，增益大于23 dB，增益平坦度為±1.4 dB，輸入駐波比小于1.58 dB，輸出駐波比小于1.45 dB，芯片面積僅為1.8 mm×1.2 mm。

GaAs PHEMT；微波單片集成電路；低噪聲放大器

引言

在毫米波通信系統(tǒng)中，作為接收器前端的核心部分，低噪聲放大器的作用是放大天線接收的微弱信號并抑制噪聲。良好的噪聲性能可提高接收機的靈敏度，增益可保障放大微弱的接收信號并且抑制后級鏈路的噪聲，較寬的工作頻帶可擴大接收機的動態(tài)范圍[1]，所以研究高增益寬頻帶的低噪聲放大器芯片具有廣泛的應用前景。

韓克鋒等[2]研制了14～18 GHz的低噪聲放大器，該LNA增益大于17 dB，噪聲系數小于1.3 dB，輸入輸出駐波比小于1.8，芯片面積為2 mm×1.6 mm；劉昊等[3]設計了一款12～18 GHz的低噪聲放大器，在工作頻帶內增益大于20 dB，噪聲系數小于2.9 dB，輸入駐波比小于2，輸出駐波比小于1.8；Murthy等[4]研制的13～16 GHz低噪聲放大器采用三級級聯的源退化技術，仿真結果顯示增益大于22.83 dB，輸入駐波比小于1.6，輸出駐波比小于1.7噪聲系數小于1 dB。

本文主要基于0.13 μm GaAs PHEMT工藝設計了一款Ku波段的低噪聲放大器。對器件工藝、低噪聲放大器設計理論和拓撲結構進行分析，總結了相關文獻中低噪聲放大器的指標，并與本文的結果進行對比。該低噪聲放大器增益大于23 dB，增益平坦度小于1.4 dB，輸入駐波比小于1.58，輸出駐波比小于1.45，芯片面積為1.8 mm×1.2 mm，該芯片具有噪聲低、增益高、增益平坦度好、芯片面積小等優(yōu)點。

1　工藝說明

設計低噪聲放大器要結合工作頻帶、性能、噪聲系數來選擇合適的工藝。砷化鎵（GaAs）作為襯底材料設計的芯片具有高電子遷移率、頻率特性良好、噪聲性能低等優(yōu)點，已經在微波射頻器件得到廣泛應用[5]。

贗配高電子遷移率晶體管（PHEMT）為高電子遷移率晶體管（HMET）的改進型，主要解決了HEMT中鋁（Al）分子的深電子陷阱問題，采用了非摻雜的砷化銦鉀層（InGaAs）代替非摻雜的GaAs層作為溝道構成，該工藝的外延材料結構如圖1所示。在半絕緣的GaAs襯底使用MBE技術連續(xù)生長出GaAs緩沖層、未摻雜的InGaAs層、未摻雜的AlGaAs層、N型AlGaAs層、N型GaAs層。電子在N型AlGaAs層產生，然后向下層移動，由于InGaAs的能帶較小，所以自由電子主要聚集在未摻雜的InGaAs層內，并且與未摻雜的AlGaAs層的交界面形成二維電子氣，同時，In濃度的增加可以提高InGaAs層內的自由電子遷移率，使PHEMT具有更好的高頻性能[6]。N型GaAs層則主要作為源極和漏極的接觸層。

圖1　PHMET外延材料結構示意圖

2　設計理論

2.1　穩(wěn)定性

在某些特定的工作頻率和終端條件下，射頻電路可能會產生“自激”[7]，導致放大器不能正常工作甚至損壞，所以在放大器設計過程中，電路在工作頻段內絕對穩(wěn)定是設計前提，只有在絕對穩(wěn)定的狀態(tài)下，放大器的其他性能指標才有意義。判斷電路絕對穩(wěn)定的條件為：

2.2　噪聲系數

低噪聲放大器噪聲系數定義為輸入信號信噪比與輸出信號信噪比的比值：

設計的晶體管采用二級級聯結構，同理對于二級級聯放大器，噪聲系數公式可推導如下：

可以看出，多級低噪聲放大器的噪聲主要來源于第一級放大器，因此選擇第一級晶體管的尺寸時要以最小噪聲為主[9]。晶體管不同柵寬對應的噪聲和增益也不同，在設計過程中需要根據實際情況進行選擇。對該工藝在相同狀態(tài)下不同柵寬的晶體管進行仿真得到柵寬與最小噪聲系數NFmin的關系[6]，如圖2所示，隨著柵寬的增加，最小噪聲系數也逐漸變大。

圖2 不同柵寬的晶體管與NFmin的關系

2.3　增益與增益平坦度

放大器的增益有多種定義，常用的有轉化功率增益、資用功率增益和實際功率增益三種。轉換功率增益的表達式是導出其他功率增益關系的基礎，下面通過單級放大器簡化電路圖來分析這三種功率增益，如圖3所示。

圖3 單級放大器簡化電路圖

圖4 不同柵寬晶體管與MaxGain的關系

2.4　駐波比

電壓駐波比一般簡稱為駐波比（VSWR），當對放大器的輸入輸出端口進行測量時，其駐波比必須小于特定值，因為當阻抗失配時，電磁波會產生反射，反射波中會出現駐波，造成能量傳輸效率低。如圖5所示的電路系統(tǒng)等效網絡。

圖5 電路系統(tǒng)等效網絡

電路系統(tǒng)輸入輸出端口的駐波比為：

3　LNA設計

本次設計的LNA采用兩級級聯的拓撲結構，兩級放大電路使用相同的柵漏電壓，第二級晶體管采用柵極漏極局部并聯的負反饋結構，來改善放大器的穩(wěn)定性和增益平坦度。LNA的電路原理圖和各元件優(yōu)化后的具體參數如圖6所示。

圖6　低噪聲放大器電路圖

低噪聲放大器設計首先要考慮的是電路的穩(wěn)定性，本設計采用了在第二級放大器的柵極和漏極之間引入電阻電容電感的并聯負反饋結構，同時該反饋網絡也可以滿足增益平坦度的要求，為了便于布版，采用了微帶線代替螺旋電感，因為在特定頻率條件下，可用微帶線模擬電感特性，微帶線的寬度由工作頻率和特征阻抗決定，微帶線的長度和電感值可以相互轉化，轉化公式為：

偏置電路的作用是在特定的工作條件下為放大器提供適當的靜態(tài)工作點，以確保放大器工作特性的恒定。同時，應盡量降低偏置電路的復雜度，因為太復雜的偏置網絡會引入非常多的噪聲，導致噪聲系數惡化。為了簡化設計，第一級和第二級放大電路使用了相同的偏置結構，由于傳輸的是射頻信號，若要保證直流電路與射頻電路良好的隔離性，則要盡量降低信號對直流電路的影響，因此必須隔斷射頻信號。采用扼流電感加旁路電容的濾波結構可以保證直流信號能從偏置電路通過而隔斷射頻信號，同時通過調諧和優(yōu)化設計也能使放大器處于在所需要的工作狀態(tài)。

根據前面的分析可知，噪聲主要來自第一級放大電路，所以對第一級放大電路做輸入匹配設計時要以最小噪聲為主，根據等噪聲系數圓確定有最小噪聲系數時的輸入端阻抗，完成共軛輸入匹配和最小噪聲匹配。同時，對第二級放大電路做輸入匹配時要以最大增益為主，以此來使LNA的噪聲來源都集中在第一級放大器，通過增益圓圖確定第二級放大器有最大增益時的輸入阻抗，完成共軛匹配。輸入輸出和級間匹配結構均采用微帶線組成的T型匹配網絡進行設計，T型匹配網絡可以看成是L型匹配網絡的串接組合，具有阻抗變換的作用和阻抗補償特性[12]。考慮到螺旋電感占用面積較大且高頻時各元件之間的寄生效應會造成電路性能惡化，全部采用了微帶線匹配進行設計，通過調節(jié)微帶線的尺寸減小輸入輸出駐波比和信號在級間傳輸時的損耗。

4　版圖設計

在對電路原理圖進行仿真時得到的結果往往是不準確的，因為原理圖仿真是在理想狀態(tài)下對理想元器件進行的仿真，沒有考慮到各元件的寄生效應和元件之間的電磁耦合，頻率越高，寄生效應和電磁耦合作用越強，所以原理圖仿真會與真實結果存在偏差，甚至是錯誤的，且原理圖中各元器件的位置分布比較理想化，不涉及版圖的布局規(guī)則，轉化為版圖時可能會出現元件尺寸過大、距離太近、重疊的情況，因此版圖的設計十分重要。

版圖設計要以原理圖為基礎，通過調整元器件尺寸和各元器件之間的距離消除重疊，通過對微帶線進行彎折來提高芯片面積的利用率，同時還要遵守該工藝的版圖規(guī)則，如微帶線的尺寸必須為0.5 um的整數倍，否則無法導入版圖。版圖布局完成后，對整體版圖進行電磁仿真，電磁仿真考慮了元器件的電磁特性，接近真實的仿真環(huán)境，其仿真結果更接近芯片的性能指標，該過程需要進行多次修改和優(yōu)化，最終得到的低噪聲放大器芯片版圖如圖7所示，版圖大小為1.8 mm×1.2 mm。

圖7　低噪聲放大器版圖

5　結果分析

版圖設計完成后對版圖進行聯合仿真，得到低噪聲放大器在工作頻段內的噪聲系數、增益、輸入輸出駐波比及穩(wěn)定性，仿真結果如圖8、圖9、圖10所示。

圖8　LNA芯片增益和噪聲系數

圖9　LNA芯片駐波比

圖10　穩(wěn)定性系數

圖8顯示的是噪聲系數和增益隨頻率變化的仿真曲線圖，該低噪聲放大器在13～17 GHz的工作頻帶內，噪聲系數小于1.8 dB，在17 GHz時，噪聲系數最小為1.46 dB。增益在13 GHz使最高達24.4 dB，在17 GH處最低為23 dB，工作頻帶內增益平坦度為±1.4，表明該低噪聲放大器具有良好的噪聲和增益性能。圖9表示的是駐波比隨頻率變化的曲線圖，仿真結果顯示，在13～17 GHz頻帶內，輸入駐波比小于1.58，輸出駐波比小于1.45，表明輸入輸出端口實現了良好的匹配。圖10的仿真結果顯示，該低噪聲放大器在整個工作頻帶內，穩(wěn)定系數StabFact大于1，確保了放大器在整個頻帶范圍內的絕對穩(wěn)定。

與表1中其他文獻對比，本次設計的低噪聲放大器的增益、輸入輸出駐波比等指標優(yōu)于其他文獻中的典型Ku波段低噪聲放大器，具有很好的應用前景。

表1　低噪聲放大器性能對比

文獻工作頻帶/GHz增益/dB噪聲/dB駐波比 [2]14～18＞17＜1.3＜1.8 [3]12～18＞20＜2.9＜2 [4]13～16＞22.8＜1＜1.7 本文13～17＞23＜1.8＜1.58

6　結論

本文基于0.13 μm GaAs PHEMT工藝設計了一款工作頻段為13～17 GHz的低噪聲放大器，整體采用雙電源供電的兩級放大結構，用電感加并聯電容的濾波結構來隔離直流信號與射頻信號，第二級放大器的柵極和漏極之間加入了負反饋網絡來增加穩(wěn)定性、拓展帶寬和改善增益平坦度。仿真結果顯示，本文設計的低噪聲放大器在工作頻段內增益大于23 dB，增益平坦度為±1.4，噪聲系數小于1.8 dB，輸入駐波比小于1.58，輸出駐波比小于1.45，芯片面積為（1.8×1.2） mm2，具有高增益、低噪聲、面積小等優(yōu)點，可應用于高性能的衛(wèi)星通信收發(fā)前端。

[1]張博，張帥，吳昊謙. 一款高增益寬帶低噪聲放大器的設計[J]. 電子元件與材料，2022，41(3): 266-272.

[2]韓克鋒，李建平. 一款Ku波段GaAs PHEMT低噪聲放大器[J]. 微波學報，2017，33(4): 80-84.

[3]劉昊，彭龍新，牛超，等. Ku波段GaN單片低噪聲放大器的研制[J]. 電子與封裝，2017，17(6): 27-30，35.

[4]MURTHY B, SINGH N K, JHA R, et al. Ultra low noise figure, low power consumption Ku-Band LNA with high gain for space application[C]. 2020 5th International Conference on Communication and Electronics Systems, 2020: 80-83.

[5]劉如青，吳洪江，高學邦，等. Ku波段單片功率放大器設計與制作[J]. 半導體技術，2011，36(6): 470-473.

[6]祝智韜. 收發(fā)前端MMIC放大器的研究與設計[D]. 成都: 電子科技大學，2018.

[7]路德維格. 射頻電路設計: 理論與應用[M]. 王子宇，譯.北京: 電子工業(yè)出版社，2013.

[8]劉賢棟. 毫米波寬帶低噪聲放大器的研究與設計[D]. 杭州: 杭州電子科技大學，2020.

[9]管鈺，李軍，張大為. Ka頻段GaAs MMIC低噪聲放大器設計[C]. 2021年全國微波毫米波會議論文集(下冊)，2021: 221-223.

[10]朱丹. X波段單片低噪聲放大器的研究[D]. 南京: 南京理工大學，2006.

[11]李海鷗，朱蒙潔，謝仕鋒，等. 2 GHz～4.2 GHz MMIC低噪聲放大器設計[J]. 中國電子科學研究院學報， 2021，16(9): 851-855，868.

[12]汪榮昌. 5G移動通信用氮化鎵功率放大器的研究[D]. 南京: 南京郵電大學，2021.

Ku Band High Gain Low Noise Amplifier Based on GaAs Technology

In this paper,a MMIC low noise amplifier (LNA) is designed by using 0.13μm GaAs PHEMT technology. The operating frequency band of the LNA is 13 to 17 GHz. A two-stage amplifier structure with dual power supply is adopted. The bias circuit adopts a filter structure of inductance and parallel capacitor to isolate the DC signal from the RF signal. A negative feedback network is introduced between gate and drain of the secondary amplifier to increase circuit stability, expand amplifier bandwidth and improve gain flatness. The simulation results show that in the 13 to 17 GHz frequency band range, the noise figure of the low noise amplifier is less than 1.8 dB, the gain is greater than 23 dB, the gain flatness is ±1.4 dB, the input standing wave ratio is less than 1.58 dB, the output standing wave ratio is less than 1.45 dB, and the chip area is only 1.8 mm×1.2 mm.

GaAs PHEMT; microwave monolithic integrated circuit; low noise amplifier

TN722.3

A

1008-1151(2023)07-0001-05

2022-10-12

四川省教育廳重點項目（16ZA0172）。

賈瑞林（1998－），男，西華師范大學電子信息工程學院碩士研究生，研究方向為射頻微波電路。

王云秀（1967－），女，西華師范大學電子信息工程學院教授，研究方向為射頻微波電路。