X波段单片低噪声放大器

成都嘉纳海威科技有限责任公司 刘 莹

一、引言

单片微波集成电路简称MMIC，是一种把有源和无源元器件制作在同一块半导体基片上的微波电路。它具有体积小、稳定性高、一致性好、寄生参量小、大批量低成本等特点，成为军事电子和民用通信系统最具吸引力的选择。

低噪声放大器(LNA)作为射频信号传输链路的第一级，它的噪声系数特性决定了整个射频电路前端的噪声性能， 因此作为高性能射频接收电路的第一级LNA 的设计必须满足[1]： （1）较高的线性度以抑制干扰和防止灵敏度下降；（2）足够高的增益，使其可以抑制后续级模块的噪声；（3）与输入输出阻抗的匹配，通常为50欧；（4）尽可能低的功耗，这是无线通信设备的发展趋势所要求的。

本文介绍的8.5－10.5 GHz低噪声MMIC 放大器不仅具有优良的噪声性能，而且还具有正斜率的高增益特性和较低功耗，具有很好的实际应用性能。

二、MMIC放大器的设计

1.电路结构及器件的选择

常用的放大器电路结构有：平衡结构、行波结构、有耗匹配、负反馈等[2]。本设计采用负反馈结构。放大器采用三级放大，以获得较高的增益。为了兼顾噪声、增益、输出功率以及功耗，根据FOUNDRY厂家提供的器件参数，经过分析比较，放大器的第一级采用350μm栅宽的器件，第二级采用250μm栅宽的器件，第三级采用88μm栅宽的器件,第一级和第二级采用电流复用的结构来减小直流功耗。

2.放大器的设计

首先对所用有源器件进行直流分析，获得器件的直流工作点。根据器件实际使用中的工作状态，对电路进行小信号S参数分析就可以得到所关注的特性参数。

图1 串联负反馈结构

为了获得低噪声与高增益特性，放大电路中采用源极串联负反馈，其电路结构如图1。这对改善输入输出驻波、降低频带低端增益以实现增益的正斜率特性具有重要作用。为了在低功耗的工作状态下获得1.2dB的低噪声系数，第一二级电路采用了复用电流的结构，极大的降低了前两级电路的工作电流。直流供电部分如图2所示，这种结构加入了电阻来增大带宽，可以实现电路的增益平坦度要求。低噪放的电路拓扑如图3所示。

图2 偏置电路结构

图3 低噪声放大器的电路拓扑

确定电路拓扑后，给元件赋予合适的初始值，以增益、噪声、输入/输出驻波等电性能参数为目标进行优化。在电路仿真优化设计完成后即进行版图设计，并根据布局需要反过来对电路进行调整。对版图无源电路部分进行三维电磁场仿真优化，最终获得的放大器的计算机仿真结果如下图所示。

图4 噪声系数仿真结果

图5 增益仿真结果

图6 输入输出驻波系数仿真结果

图7 P-1及工作电流仿真结果

三、实验结果

流片后的低噪声放大器照片图8所示。

图8 单片放大器实物照片

对流片的低噪声放大器进行了在片测试，在常温工作条件下，直流偏置Vds＝3V、Vgs＝-0.35V、Ids＝40mA，噪声特性在片测试结果图9所示，低噪放的增益特性在片测试结果如图10所示。

图9 噪声系数在片测试结果

图10 增益在片测试结果

图11 输入输出驻波在片测试结果

图12 输出功率在片测试结果

四、结语

由在片测试结果可知，在8.5-10.5 GHz频率范围内，噪声系数典型值小于1.2dB,增益>30dB，具有3dB的正斜率，P-1大于7dBm，输入输出驻波≤1.4：1,其中增益在8.5_9.5GHz比仿真结果低1dB左右，噪声在8.9_9.2GHz约为1.3dB，考虑到在片测试没有考虑输入输出端约0.2nH的金丝影响，应该说，仿真结果与实际电路特性的符合性较好，该放大器的噪声性能指标达到较好水平。

[1]James J.,Whelehan.“Low noise amplifiers—then and now.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques”,March 2002,vol.50(No. 3)：806-813.

[2]K.Niclas,“GaAs MESFET feedback amplifier, design considerations and characteristics”,Microwave J.23,39-48,1980.