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

文章采用0.13 μm GaAs PHEMT工藝技術(shù)設(shè)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(jié)構(gòu)，偏置電路采用電感加并聯(lián)電容的濾波結(jié)構(gòu)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(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)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(jié)果表明：在13～17 GHz頻帶范圍內(nèi)，低噪聲放大器的噪聲系數(shù)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(yīng)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(shù)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(shè)計了一款12～18 GHz的低噪聲放大器，在工作頻帶內(nèi)增益大于20 dB，噪聲系數(shù)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(lián)的源退化技術(shù)，仿真結(jié)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(shù)小于1 dB。

本文主要基于0.13 μm GaAs PHEMT工藝設(shè)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(shè)計理論和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，總結(jié)了相關(guān)文獻(xiàn)中低噪聲放大器的指標(biāo)，并與本文的結(jié)果進(jìn)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(shè)計低噪聲放大器要結(jié)合工作頻帶、性能、噪聲系數(shù)來選擇合適的工藝。砷化鎵（GaAs）作為襯底材料設(shè)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(jīng)在微波射頻器件得到廣泛應(yīng)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(jìn)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(gòu)成，該工藝的外延材料結(jié)構(gòu)如圖1所示。在半絕緣的GaAs襯底使用MBE技術(shù)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(chǎn)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(nèi)，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(nèi)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(jié)構(gòu)示意圖

2　設(shè)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(chǎn)生“自激”[7]，導(dǎo)致放大器不能正常工作甚至損壞，所以在放大器設(shè)計過程中，電路在工作頻段內(nèi)絕對穩(wěn)定是設(shè)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(biāo)才有意義。判斷電路絕對穩(wěn)定的條件為：

2.2　噪聲系數(shù)

低噪聲放大器噪聲系數(shù)定義為輸入信號信噪比與輸出信號信噪比的比值：

設(shè)計的晶體管采用二級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，同理對于二級級聯(lián)放大器，噪聲系數(shù)公式可推導(dǎo)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(yīng)的噪聲和增益也不同，在設(shè)計過程中需要根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇。對該工藝在相同狀態(tài)下不同柵寬的晶體管進(jìn)行仿真得到柵寬與最小噪聲系數(shù)NFmin的關(guān)系[6]，如圖2所示，隨著柵寬的增加，最小噪聲系數(shù)也逐漸變大。

圖2 不同柵寬的晶體管與NFmin的關(guān)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(zhuǎn)化功率增益、資用功率增益和實際功率增益三種。轉(zhuǎn)換功率增益的表達(dá)式是導(dǎo)出其他功率增益關(guān)系的基礎(chǔ)，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(guān)系

2.4　駐波比

電壓駐波比一般簡稱為駐波比（VSWR），當(dāng)對放大器的輸入輸出端口進(jìn)行測量時，其駐波比必須小于特定值，因為當(dāng)阻抗失配時，電磁波會產(chǎn)生反射，反射波中會出現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)。

圖5 電路系統(tǒng)等效網(wǎng)絡(luò)

電路系統(tǒng)輸入輸出端口的駐波比為：

3　LNA設(shè)計

本次設(shè)計的LNA采用兩級級聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(lián)的負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，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(shù)如圖6所示。

圖6　低噪聲放大器電路圖

低噪聲放大器設(shè)計首先要考慮的是電路的穩(wěn)定性，本設(shè)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(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，同時該反饋網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點，以確保放大器工作特性的恒定。同時，應(yīng)盡量降低偏置電路的復(fù)雜度，因為太復(fù)雜的偏置網(wǎng)絡(luò)會引入非常多的噪聲，導(dǎo)致噪聲系數(shù)惡化。為了簡化設(shè)計，第一級和第二級放大電路使用了相同的偏置結(jié)構(gòu)，由于傳輸?shù)氖巧漕l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(jié)構(gòu)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(diào)諧和優(yōu)化設(shè)計也能使放大器處于在所需要的工作狀態(tài)。

根據(jù)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(shè)計時要以最小噪聲為主，根據(jù)等噪聲系數(shù)圓確定有最小噪聲系數(shù)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(jié)構(gòu)均采用微帶線組成的T型匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計，T型匹配網(wǎng)絡(luò)可以看成是L型匹配網(wǎng)絡(luò)的串接組合，具有阻抗變換的作用和阻抗補償特性[12]?？紤]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(yīng)會造成電路性能惡化，全部采用了微帶線匹配進(jìn)行設(shè)計，通過調(diào)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(shè)計

在對電路原理圖進(jìn)行仿真時得到的結(jié)果往往是不準(zhǔn)確的，因為原理圖仿真是在理想狀態(tài)下對理想元器件進(jìn)行的仿真，沒有考慮到各元件的寄生效應(yīng)和元件之間的電磁耦合，頻率越高，寄生效應(yīng)和電磁耦合作用越強，所以原理圖仿真會與真實結(jié)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(zhuǎn)化為版圖時可能會出現(xiàn)元件尺寸過大、距離太近、重疊的情況，因此版圖的設(shè)計十分重要。

版圖設(shè)計要以原理圖為基礎(chǔ)，通過調(diào)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(jìn)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(shù)倍，否則無法導(dǎo)入版圖。版圖布局完成后，對整體版圖進(jìn)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(jié)果更接近芯片的性能指標(biāo)，該過程需要進(jìn)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(jié)果分析

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

圖8　LNA芯片增益和噪聲系數(shù)

圖9　LNA芯片駐波比

圖10　穩(wěn)定性系數(shù)

圖8顯示的是噪聲系數(shù)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(nèi)，噪聲系數(shù)小于1.8 dB，在17 GHz時，噪聲系數(shù)最小為1.46 dB。增益在13 GHz使最高達(dá)24.4 dB，在17 GH處最低為23 dB，工作頻帶內(nèi)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(jié)果顯示，在13～17 GHz頻帶內(nèi)，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(xiàn)了良好的匹配。圖10的仿真結(jié)果顯示，該低噪聲放大器在整個工作頻帶內(nèi)，穩(wěn)定系數(shù)StabFact大于1，確保了放大器在整個頻帶范圍內(nèi)的絕對穩(wěn)定。

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

表1　低噪聲放大器性能對比

文獻(xiàn)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(jié)論

本文基于0.13 μm GaAs PHEMT工藝設(shè)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(jié)構(gòu)，用電感加并聯(lián)電容的濾波結(jié)構(gòu)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(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)來增加穩(wěn)定性、拓展帶寬和改善增益平坦度。仿真結(jié)果顯示，本文設(shè)計的低噪聲放大器在工作頻段內(nèi)增益大于23 dB，增益平坦度為±1.4，噪聲系數(shù)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(yīng)用于高性能的衛(wèi)星通信收發(fā)前端。

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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(xué)電子信息工程學(xué)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(xué)電子信息工程學(xué)院教授，研究方向為射頻微波電路。