基于砷化鎵晶體管的1.35～2.0 GHz低噪聲放大器*

江 龍，李建斌,3，劉鴻飛，柴曉明

(1. 中國科學(xué)院國家天文臺(tái)，北京 100101；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國科學(xué)院FAST重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

靈敏度是射電望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)重要指標(biāo)，其大小與射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的噪聲溫度成反比。射電望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)完成后，最有效的降低系統(tǒng)噪聲溫度的方式是降低接收機(jī)的噪聲溫度。低噪聲放大器是射電天文望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)的核心器件之一，用于對(duì)來自饋源的輸入信號(hào)進(jìn)行放大。低噪聲放大器的噪聲與增益性能共同決定了接收機(jī)的噪聲溫度[1]，同時(shí)增益還決定了接收機(jī)對(duì)信號(hào)的放大能力。高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor, HEMT)自1980年問世以來，很快成為低噪聲放大器設(shè)計(jì)常用的器件之一[2]。高電子遷移率晶體管是一種調(diào)制摻雜的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，是擁有柵極、源極、漏極的三端口器件。電流從漏極流向源極，電子運(yùn)動(dòng)的溝道寬度受柵極信號(hào)電壓的調(diào)控，漏極電流大小發(fā)生變化從而產(chǎn)生增益[3]。高電子遷移率晶體管具有高截止頻率、高跨導(dǎo)、低噪聲系數(shù)和低寄生電阻等特性。贗配高電子遷移率晶體(Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor, pHEMT)是在高電子遷移率晶體管的基礎(chǔ)上改進(jìn)，相比高電子遷移率晶體管有更高的跨導(dǎo)和更好的射頻特性[4]。

本文選用Avago公司的砷化鎵工藝，柵寬尺寸800 μm 的贗配高電子遷移率晶體ATF-54143進(jìn)行低噪聲放大器設(shè)計(jì)。該晶體管在工作頻率為2 GHz時(shí)，噪聲溫度可以達(dá)到28 K以下。本文設(shè)計(jì)的1.35～2.0 GHz低噪聲放大器，典型增益28 dB，典型噪聲溫度35 K，輸入回波損耗優(yōu)于-10 dB，輸出回波損耗優(yōu)于-15 dB，輸入1 dB壓縮點(diǎn)為-13 dBm。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 最小噪聲匹配及偏置工作點(diǎn)

低噪聲放大器可以看作一個(gè)由多級(jí)晶體管組成的系統(tǒng)，系統(tǒng)噪聲：

(1)

其中，F(xiàn)1,F2,F3, …,FK分別為第1級(jí)晶體管到第K級(jí)晶體管的噪聲系數(shù)；GA1,GA2, …,GA(K-1)分別為第1級(jí)晶體管到第K-1級(jí)晶體管的增益。第1級(jí)晶體管的噪聲對(duì)整個(gè)接收機(jī)噪聲起決定性作用，一定的增益還可以抑制后級(jí)晶體管產(chǎn)生的噪聲。設(shè)計(jì)低噪聲放大器時(shí)，輸入匹配需按照最小噪聲系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)，第1級(jí)晶體管需要有一定的增益。單級(jí)晶體管的噪聲為

(2)

其中，Rn為二端口網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲電阻；Γs為源端反射系數(shù)；Γopt為最小噪聲對(duì)應(yīng)的最佳源反射系數(shù)；Γmin為放大器最小噪聲系數(shù)。

Γmin由晶體管本身的特性決定，大小受漏極電流Ids的影響。根據(jù)晶體管廠家提供的ATF-54143晶體管產(chǎn)品說明書中噪聲系數(shù)隨漏極電流變化圖[5]，晶體管最小噪聲一定程度上隨漏極電流減小而減小，但增益也隨之降低。考慮到漏極電流對(duì)最小噪聲和增益的影響，結(jié)合先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Advanced Design System, ADS)仿真軟件對(duì)晶體管電路模型的直流偏置點(diǎn)測試結(jié)果，本文選擇晶體管偏置點(diǎn)漏極電流Ids=60 mA，漏極電壓Vds=2.3 V，柵極電壓Vgs=0.58 V。

源端反射系數(shù)Γs與最小噪聲對(duì)應(yīng)的最佳源反射系數(shù)Γopt相等時(shí)二端口網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)最小。為獲得最低噪聲，輸入網(wǎng)絡(luò)需要按照最小噪聲系數(shù)進(jìn)行匹配。一般來說，饋源輸出端阻抗為50 Ω，因此，需要將最佳源反射系數(shù)對(duì)應(yīng)的阻抗匹配到50 Ω。本文按照1.5 GHz進(jìn)行輸入匹配設(shè)計(jì)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳源阻抗為37.1 + 3.74j，對(duì)應(yīng)的最小噪聲為0.243 dB。

1.2 電路圖仿真

為滿足增益要求，電路設(shè)計(jì)使用2個(gè)ATF-54143晶體管組成兩級(jí)放大電路，如圖1。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由4部分組成，分別是直流偏置網(wǎng)絡(luò)、輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)、級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)和增益壓縮網(wǎng)絡(luò)。

圖1 1.35～2.0 GHz低噪聲放大器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 1.35-2.0GHz LNA circuit topology

直流偏置網(wǎng)絡(luò)使用單電源自偏置設(shè)計(jì)，相比雙電源供電，自偏置設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)避免了使用雙電源供電所需的開關(guān)序列[6]；(2)任何漏極電流的改變都會(huì)自動(dòng)調(diào)整柵級(jí)的偏置電壓來保證漏極電流的穩(wěn)定。R1=R6=215 Ω，R3=R4=60 Ω，R2=R5=2 000 Ω，6個(gè)村田(Murata)電阻使晶體管在電源電壓Vdd=6 V時(shí)，偏置電壓Vds=2.3 V，Vgs=0.58 V，Ids=59.5 mA。C7=C8=C9=C10是22 pF的去耦電容，其目的是消除直流電路的高頻噪聲，同時(shí)可以充當(dāng)儲(chǔ)能電容。C11=1 uF是電源處的旁路電容，可以去除來自電源的高頻噪聲[7]。

C1=2.3 pF，C2=2.2 pF，L1=2.7 nH，構(gòu)成了輸入匹配T型網(wǎng)絡(luò)，將最佳噪聲源阻抗37.1 + 3.74j匹配到50 Ω。T型網(wǎng)絡(luò)相對(duì)L型網(wǎng)絡(luò)擁有更大的帶寬和阻抗變化，可以有效地控制整個(gè)頻帶上的響應(yīng)。級(jí)間匹配同樣使用一個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)，將第1級(jí)輸出阻抗35.247 + 181.142j共軛匹配到晶體管最大增益匹配對(duì)應(yīng)的輸入阻抗2.694 + 3.084j。

增益壓縮網(wǎng)絡(luò)利用低頻時(shí)電阻對(duì)晶體管增益影響大于電容和電感，高頻時(shí)電容和電感帶來的影響大于電阻，電阻低頻損耗大、高頻損耗小的原理調(diào)節(jié)增益平坦度。本文使用R7=33.2 Ω，L4=6.2 nH，C6=3.2 pF組成增益壓縮網(wǎng)絡(luò)，使得仿真時(shí)增益平坦度優(yōu)于1 dB。同時(shí)，R7，L4，C6，L3=3.9 nH，C5=1.2 pH共同組成輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。

晶體管源極引入負(fù)反饋可以增大輸入阻抗，從而提高穩(wěn)定性[8]。源極電阻負(fù)反饋會(huì)增加噪聲，因此，使用L5，L6，L7，L84個(gè)源極反饋電感。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，0.8～1.5 nH的小電感就能滿足需求，這里均使用1 nH電感。為了盡可能避免分立電感焊接時(shí)引起的寄生效應(yīng)，使用微帶線代替電感，經(jīng)過計(jì)算得到1 nH電感對(duì)應(yīng)微帶線長度為1.7 mm。

印制電路板材料的選擇對(duì)低噪聲放大器噪聲性能有重要影響，輸入信號(hào)的損耗會(huì)引起噪聲的增加，這部分增加的噪聲無法在后續(xù)優(yōu)化過程中去除[9]。本文使用高頻損耗小、標(biāo)準(zhǔn)工藝制造的RO4350B介質(zhì)板進(jìn)行電路仿真，介電常數(shù)3.66，介質(zhì)損耗角正切0.003 7，板厚1.524 mm。采用Murata公司的元件庫，電路板電磁模型如圖2。聯(lián)合仿真S參數(shù)如圖3，噪聲參數(shù)如圖4。

圖2 電路板電磁模型Fig.2 PCB electromagnetic model

圖3 低噪聲放大器聯(lián)合仿真結(jié)果：S參數(shù)Fig.3 Co-Simulation result of LNA: Parameter S

圖4 低噪聲放大器聯(lián)合仿真結(jié)果：噪聲參數(shù)Fig.4 Co-Simulation result of LNA: Parameter Noise

2 低噪聲放大器制作和測試

2.1 印制電路板工藝

化學(xué)鍍鎳浸金工藝(Electroless Nickel Immersion Gold, ENIG)是印制電路板的常用工藝。工藝流程主要是活化銅，化學(xué)鍍鎳，然后進(jìn)行化學(xué)浸金，在鎳層上覆蓋金層[9]。化學(xué)鍍鎳浸金工藝的印制電路板表面更加平整，適用于焊接焊點(diǎn)更小的元器件。趨膚效應(yīng)發(fā)生在鎳層下的銅層中，對(duì)高頻信號(hào)的傳輸沒有影響。金層厚度介于0.005 μm 和 0.15 μm之間。當(dāng)金層厚度大于0.15 μm時(shí)，融入焊料中的金含量超過重量的3%，此時(shí)焊點(diǎn)變脆，易發(fā)生斷裂，影響焊接可靠性，鎳蝕加劇造成黑點(diǎn)。當(dāng)金層厚度低于0.005 μm時(shí)，金層不能完全覆蓋鎳層表面，會(huì)帶來黑斑，影響可焊性[10]。本文使用電路板工藝參數(shù)如表1。

表1 電路板工藝Table 1 Process of Printed Circuit Board

2.2 低噪聲放大器測試結(jié)果

測試使用Keysight公司的PNA-L Network Analyzer N5232B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測量范圍300 KHz～20 GHz；Agilent Technologies公司的U3606A電壓源，電壓輸出范圍0～36 V；N8974A噪聲分析儀，測量范圍為10 MHz～6.7 GHz。低噪聲放大器封裝測試如圖5，電源電壓為6 V；測試與仿真S參數(shù)對(duì)比如圖6；測試與仿真噪聲參數(shù)對(duì)比如圖7。

圖5 低噪聲放大器鋁合金封裝測試Fig.5 LNA′s test with aluminum alloy packing

由圖6可以看出：(1)實(shí)測低噪聲放大器最大增益28 dB，略低于仿真結(jié)果；增益變化趨勢與仿真結(jié)果變化趨勢基本一致；1.35～2.0 GHz頻率范圍內(nèi)平坦度優(yōu)于仿真平坦度。(2)S22變化趨勢與仿真結(jié)果基本一致，整個(gè)頻帶內(nèi)優(yōu)于-15 dB，在1.8 GHz附近達(dá)到最優(yōu)。(3)S11在1.35～2.0 GHz頻率范圍內(nèi)優(yōu)于-10 dB，變化趨勢與仿真結(jié)果一致，但諧振頻率范圍更寬，高頻性能更好，低頻部分性能略差。由圖7可以看出，實(shí)測噪聲性能與仿真結(jié)果對(duì)比有所增高，變化趨勢與仿真結(jié)果變化趨勢在高頻部分基本一致。

圖6 低噪聲放大器封裝測試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比(S參數(shù))

圖7 低噪聲放大器噪聲參數(shù)封裝測試結(jié)果

分析認(rèn)為，S參數(shù)和噪聲性能與仿真結(jié)果之間的差異可能由以下原因?qū)е拢?1)實(shí)際器件的S參數(shù)與廠家提供的電路模型不完全一致，熱噪聲高于理想器件；(2)鋁合金封裝外殼相當(dāng)于一個(gè)波導(dǎo)，改變了低噪聲放大器工作的電磁環(huán)境；(3)測量過程中網(wǎng)絡(luò)分析儀、噪聲源以及校準(zhǔn)存在誤差；(4)分立器件的焊點(diǎn)存在寄生效應(yīng)。

本文測試了低噪聲放大器在4.5 V，5.0 V，5.5 V和6.0 V電源電壓下的S參數(shù)和噪聲溫度。如圖8，低噪聲放大器增益隨著電源電壓的升高而升高，電源電壓為6 V時(shí)的增益與4.5 V時(shí)的增益相差接近1 dB。如圖9，S11隨著電壓升高而降低，S22隨著電壓升高而升高。如圖10，當(dāng)電源電壓在5.0 V和5.5 V時(shí)的噪聲性能優(yōu)于4.0 V和6.0 V時(shí)的噪聲性能，此時(shí)在1.8 GHz處噪聲溫度典型值35 K。綜合考慮增益、S參數(shù)以及噪聲溫度，本文研制的低噪聲放大器工作在電源電壓為5.0 V可獲得最優(yōu)性能：帶內(nèi)增益大于26 dB，典型噪聲溫度35 K，S11優(yōu)于-10 dB，S22優(yōu)于-15 dB。

圖8 不同輸入電壓時(shí)低噪聲放大器的增益變化Fig.8 LNA′s gain changing with different supply voltage

圖9 不同輸入電壓時(shí)低噪聲放大器的S11, S22變化Fig.9 LNA′s S11 and S22 with different supply voltage

圖10 不同輸入電壓時(shí)低噪聲放大器的噪聲溫度

1 dB壓縮輸出功率是衡量放大器動(dòng)態(tài)范圍的一個(gè)指標(biāo)，其值越大說明放大器的線性動(dòng)態(tài)范圍越大[11]。在放大器動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，放大器的輸出功率隨放大器的輸入功率的增加而增加，當(dāng)輸入功率增加到一定程度，放大器將進(jìn)入非線性工作區(qū)，放大器輸出功率不再隨著輸入功率增加而增加，此時(shí)輸出功率低于預(yù)期值。本文測試了電源電壓為5 V時(shí)，低噪聲放大器在1.8 GHz 頻點(diǎn)處的1 dB壓縮點(diǎn)，如圖11。測得輸入功率1 dB壓縮點(diǎn)為-13 dBm。

圖11 輸入電壓5 V時(shí)1.8 GHz處1 dB壓縮輸出功率測試

3 結(jié) 論

本文使用砷化鎵工藝的pHEMT ATF-54143設(shè)計(jì)了一款可工作在1.35～2.0 GHz頻帶范圍內(nèi)的低噪聲放大器。該放大器使用兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單電源自偏置供電。電源電壓5～6 V下均能正常工作，且具有良好的輸入輸出匹配、高增益、噪聲溫度低、動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)。本文所研制的低噪聲放大器除了可以用在L波段的射電天文望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)以外，還可以用于空間衛(wèi)星通信和電波環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。