面向5G毫米波通信的砷化鎵低噪聲放大器設計

張 耀，蘇 進

（1.廣東工業(yè)大學 信息工程學院，廣東 廣州 510006；2.中國鐵路廣州局集團有限公司廣州通信段，廣東 廣州 510000）

0 引言

近幾年，第五代移動通信技術（5G）快速發(fā)展，5G開拓了資源豐富的毫米波頻段，對射頻器件提出了更高的要求，如高頻率、大帶寬、高功率密度、低噪聲等。作為第二代半導體材料的代表，砷化鎵（Gallium Arsenide，GaAs）電子遷移率高，頻率特性良好，在微波器件中廣泛應用。

低噪聲放大器的噪聲和增益決定著接收機系統(tǒng)的整體性能，目前廣泛采用GaAs pHEMT器件，因其高電子遷移率、高工作頻率、高增益和低噪聲的優(yōu)越性能[1]，深受國內外優(yōu)秀廠商的青睞。同時，由于器件的性能要求不斷提高，電路設計的復雜度也逐漸提升，單片微波集成電路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）因其高集成度的優(yōu)點受到廣泛應用[2]。

本文面向新一代5G毫米波移動通信應用，基于0.15 μmGaAs pHEMT技術設計了一款MMIC毫米波寬帶低噪聲放大器。

1 整體電路結構

本文設計的GaAs MMIC低噪聲放大器電路拓撲結構如圖1所示，為了實現(xiàn)足夠的小信號增益，采用了三級共源級聯(lián)放大的結構。第一級的設計主要考慮噪聲系數(shù)的優(yōu)化，第二級主要考慮提高增益，同時兼顧噪聲，第三級則重點提高輸出功率和線性度。

圖1 低噪聲放大器電路拓撲結構

2 LNA電路設計

第一級放大器的噪聲決定著整體電路的噪聲性能，輸入匹配的設計尤其重要。放大器的噪聲系數(shù)可以定義為[3]

由此可得當Zs=Zsopt時，可以實現(xiàn)最優(yōu)噪聲NF=NFmin。但這種匹配方式會犧牲掉增益，使輸入級不能有效抑制后級放大器的噪聲，在源極串聯(lián)電感到地，實現(xiàn)局部的串聯(lián)反饋，能夠實現(xiàn)增益匹配和噪聲匹配的初衷。

輸入級電路如圖2所示，經(jīng)過對單管的仿真，確定使用4×25 μm的pHEMT管作為輸入級。源端接入TLs實現(xiàn)源極電感反饋，假設TLs為純電感Ls，Ls可以為輸入。

圖2 帶源極反饋的輸入級電路

阻抗提供了一個實部阻抗，考慮管的柵源寄生電容Cgs，恰當?shù)卣{整Ls的值，能實現(xiàn)益和噪聲的折衷。輸入匹配網(wǎng)絡由C1、TL1組成，C1同時用于直流阻隔。C2，TL2和R1構成柵極偏置網(wǎng)絡，其中TL2部分參與輸入匹配，C2用于濾除射頻信號，R1小電阻的加入能夠有效提高放大電路的穩(wěn)定性。C3和TL4構成漏極偏置網(wǎng)絡。

出于對增益和線性度的需求，第二級和第三級管芯的尺寸比第一級大，分別為4×50 μm和6×50 μm，管芯逐級增大的設計方法可以較好地折衷噪聲和線性度[4]，相應地，功耗會增大。級間匹配和輸出匹配的設計與輸入匹配相仿，如圖1所示，輸出匹配中為了改善輸出回波損耗，使用微帶線開路作電容的方法實現(xiàn)典型的LC匹配。

3 仿真與測試

設計完的版圖通過ADS軟件進行電磁仿真，對微帶線的長度、寬度和拐角進行微調，優(yōu)化性能。最終版圖通過DRC、LVS規(guī)則檢查后即可流片。

該GaAs MMIC低噪聲放大器芯片的測試采用微探針臺、矢量網(wǎng)絡分析儀、頻譜儀等儀器對芯片進行了在片的S參數(shù)和噪聲系數(shù)的測試，信號輸入、輸出端口需要用到探針GSG結構的探針，漏極和柵極的饋電。

探針分立，所有測試在室溫下進行。圖3為該低噪聲放大器S參數(shù)的仿真與測試結果對比，其中虛線為EM后仿結果，實線為測試結果。在26～30 GHz頻段內，實測小信號增益為23～26 dB，S11和S22在﹣10dB左右，增益實測曲線與仿真曲線的趨勢吻合。圖4為噪聲系數(shù)的測試結果，在頻段內噪聲系數(shù)為2.4～3.0 dB，其中最小值在30 GHz。柵極偏置電壓Vg=﹣0.65 V，漏極偏置電壓Vd=2 V，功耗為190 mW。

圖3 S參數(shù)仿真與實測結果對比

圖4 噪聲系數(shù)實測結果

4 結語

本文提出了一種工作在26～30 GHz頻段的低噪聲放大器，采用柵長為0.15 μm的GaAs pHEMT工藝設計，直流功耗為190 mW。在工作頻段內，噪聲系數(shù)在2.4～3.0 dB的水平，增益為23～26 dB，輸入、輸出回波損耗在-10 dB水平，可應用于5G毫米波通信n257頻段。