基于砷化镓晶体管的1.35～2.0 GHz低噪声放大器*

江 龙，李建斌,3，刘鸿飞，柴晓明

(1. 中国科学院国家天文台，北京 100101；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 中国科学院FAST重点实验室，北京 100101)

灵敏度是射电望远镜的一个重要指标，其大小与射电望远镜系统的噪声温度成反比。射电望远镜设计完成后，最有效的降低系统噪声温度的方式是降低接收机的噪声温度。低噪声放大器是射电天文望远镜接收机的核心器件之一，用于对来自馈源的输入信号进行放大。低噪声放大器的噪声与增益性能共同决定了接收机的噪声温度[1]，同时增益还决定了接收机对信号的放大能力。高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor, HEMT)自1980年问世以来，很快成为低噪声放大器设计常用的器件之一[2]。高电子迁移率晶体管是一种调制掺杂的异质结场效应晶体管，是拥有栅极、源极、漏极的三端口器件。电流从漏极流向源极，电子运动的沟道宽度受栅极信号电压的调控，漏极电流大小发生变化从而产生增益[3]。高电子迁移率晶体管具有高截止频率、高跨导、低噪声系数和低寄生电阻等特性。赝配高电子迁移率晶体(Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor, pHEMT)是在高电子迁移率晶体管的基础上改进，相比高电子迁移率晶体管有更高的跨导和更好的射频特性[4]。

本文选用Avago公司的砷化镓工艺，栅宽尺寸800 μm 的赝配高电子迁移率晶体ATF-54143进行低噪声放大器设计。该晶体管在工作频率为2 GHz时，噪声温度可以达到28 K以下。本文设计的1.35～2.0 GHz低噪声放大器，典型增益28 dB，典型噪声温度35 K，输入回波损耗优于-10 dB，输出回波损耗优于-15 dB，输入1 dB压缩点为-13 dBm。

1 电路设计

1.1 最小噪声匹配及偏置工作点

低噪声放大器可以看作一个由多级晶体管组成的系统，系统噪声：

(1)

其中，F1,F2,F3, …,FK分别为第1级晶体管到第K级晶体管的噪声系数；GA1,GA2, …,GA(K-1)分别为第1级晶体管到第K-1级晶体管的增益。第1级晶体管的噪声对整个接收机噪声起决定性作用，一定的增益还可以抑制后级晶体管产生的噪声。设计低噪声放大器时，输入匹配需按照最小噪声系数进行设计，同时，第1级晶体管需要有一定的增益。单级晶体管的噪声为

(2)

其中，Rn为二端口网络的等效噪声电阻；Γs为源端反射系数；Γopt为最小噪声对应的最佳源反射系数；Γmin为放大器最小噪声系数。

Γmin由晶体管本身的特性决定，大小受漏极电流Ids的影响。根据晶体管厂家提供的ATF-54143晶体管产品说明书中噪声系数随漏极电流变化图[5]，晶体管最小噪声一定程度上随漏极电流减小而减小，但增益也随之降低。考虑到漏极电流对最小噪声和增益的影响，结合先进设计系统(Advanced Design System, ADS)仿真软件对晶体管电路模型的直流偏置点测试结果，本文选择晶体管偏置点漏极电流Ids=60 mA，漏极电压Vds=2.3 V，栅极电压Vgs=0.58 V。

源端反射系数Γs与最小噪声对应的最佳源反射系数Γopt相等时二端口网络噪声系数最小。为获得最低噪声，输入网络需要按照最小噪声系数进行匹配。一般来说，馈源输出端阻抗为50 Ω，因此，需要将最佳源反射系数对应的阻抗匹配到50 Ω。本文按照1.5 GHz进行输入匹配设计，此时对应的最佳源阻抗为37.1 + 3.74j，对应的最小噪声为0.243 dB。

1.2 电路图仿真

为满足增益要求，电路设计使用2个ATF-54143晶体管组成两级放大电路，如图1。电路拓扑结构由4部分组成，分别是直流偏置网络、输入输出匹配网络、级间匹配网络和增益压缩网络。

图1 1.35～2.0 GHz低噪声放大器电路拓扑结构Fig.1 1.35-2.0GHz LNA circuit topology

直流偏置网络使用单电源自偏置设计，相比双电源供电，自偏置设计有以下优点：(1)避免了使用双电源供电所需的开关序列[6]；(2)任何漏极电流的改变都会自动调整栅级的偏置电压来保证漏极电流的稳定。R1=R6=215 Ω，R3=R4=60 Ω，R2=R5=2 000 Ω，6个村田(Murata)电阻使晶体管在电源电压Vdd=6 V时，偏置电压Vds=2.3 V，Vgs=0.58 V，Ids=59.5 mA。C7=C8=C9=C10是22 pF的去耦电容，其目的是消除直流电路的高频噪声，同时可以充当储能电容。C11=1 uF是电源处的旁路电容，可以去除来自电源的高频噪声[7]。

C1=2.3 pF，C2=2.2 pF，L1=2.7 nH，构成了输入匹配T型网络，将最佳噪声源阻抗37.1 + 3.74j匹配到50 Ω。T型网络相对L型网络拥有更大的带宽和阻抗变化，可以有效地控制整个频带上的响应。级间匹配同样使用一个T型网络，将第1级输出阻抗35.247 + 181.142j共轭匹配到晶体管最大增益匹配对应的输入阻抗2.694 + 3.084j。

增益压缩网络利用低频时电阻对晶体管增益影响大于电容和电感，高频时电容和电感带来的影响大于电阻，电阻低频损耗大、高频损耗小的原理调节增益平坦度。本文使用R7=33.2 Ω，L4=6.2 nH，C6=3.2 pF组成增益压缩网络，使得仿真时增益平坦度优于1 dB。同时，R7，L4，C6，L3=3.9 nH，C5=1.2 pH共同组成输出匹配网络。

晶体管源极引入负反馈可以增大输入阻抗，从而提高稳定性[8]。源极电阻负反馈会增加噪声，因此，使用L5，L6，L7，L84个源极反馈电感。实际应用时，0.8～1.5 nH的小电感就能满足需求，这里均使用1 nH电感。为了尽可能避免分立电感焊接时引起的寄生效应，使用微带线代替电感，经过计算得到1 nH电感对应微带线长度为1.7 mm。

印制电路板材料的选择对低噪声放大器噪声性能有重要影响，输入信号的损耗会引起噪声的增加，这部分增加的噪声无法在后续优化过程中去除[9]。本文使用高频损耗小、标准工艺制造的RO4350B介质板进行电路仿真，介电常数3.66，介质损耗角正切0.003 7，板厚1.524 mm。采用Murata公司的元件库，电路板电磁模型如图2。联合仿真S参数如图3，噪声参数如图4。

图2 电路板电磁模型Fig.2 PCB electromagnetic model

图3 低噪声放大器联合仿真结果：S参数Fig.3 Co-Simulation result of LNA: Parameter S

图4 低噪声放大器联合仿真结果：噪声参数Fig.4 Co-Simulation result of LNA: Parameter Noise

2 低噪声放大器制作和测试

2.1 印制电路板工艺

化学镀镍浸金工艺(Electroless Nickel Immersion Gold, ENIG)是印制电路板的常用工艺。工艺流程主要是活化铜，化学镀镍，然后进行化学浸金，在镍层上覆盖金层[9]。化学镀镍浸金工艺的印制电路板表面更加平整，适用于焊接焊点更小的元器件。趋肤效应发生在镍层下的铜层中，对高频信号的传输没有影响。金层厚度介于0.005 μm 和 0.15 μm之间。当金层厚度大于0.15 μm时，融入焊料中的金含量超过重量的3%，此时焊点变脆，易发生断裂，影响焊接可靠性，镍蚀加剧造成黑点。当金层厚度低于0.005 μm时，金层不能完全覆盖镍层表面，会带来黑斑，影响可焊性[10]。本文使用电路板工艺参数如表1。

表1 电路板工艺Table 1 Process of Printed Circuit Board

2.2 低噪声放大器测试结果

测试使用Keysight公司的PNA-L Network Analyzer N5232B矢量网络分析仪，测量范围300 KHz～20 GHz；Agilent Technologies公司的U3606A电压源，电压输出范围0～36 V；N8974A噪声分析仪，测量范围为10 MHz～6.7 GHz。低噪声放大器封装测试如图5，电源电压为6 V；测试与仿真S参数对比如图6；测试与仿真噪声参数对比如图7。

图5 低噪声放大器铝合金封装测试Fig.5 LNA′s test with aluminum alloy packing

由图6可以看出：(1)实测低噪声放大器最大增益28 dB，略低于仿真结果；增益变化趋势与仿真结果变化趋势基本一致；1.35～2.0 GHz频率范围内平坦度优于仿真平坦度。(2)S22变化趋势与仿真结果基本一致，整个频带内优于-15 dB，在1.8 GHz附近达到最优。(3)S11在1.35～2.0 GHz频率范围内优于-10 dB，变化趋势与仿真结果一致，但谐振频率范围更宽，高频性能更好，低频部分性能略差。由图7可以看出，实测噪声性能与仿真结果对比有所增高，变化趋势与仿真结果变化趋势在高频部分基本一致。

图6 低噪声放大器封装测试结果与仿真结果对比(S参数)

图7 低噪声放大器噪声参数封装测试结果

分析认为，S参数和噪声性能与仿真结果之间的差异可能由以下原因导致：(1)实际器件的S参数与厂家提供的电路模型不完全一致，热噪声高于理想器件；(2)铝合金封装外壳相当于一个波导，改变了低噪声放大器工作的电磁环境；(3)测量过程中网络分析仪、噪声源以及校准存在误差；(4)分立器件的焊点存在寄生效应。

本文测试了低噪声放大器在4.5 V，5.0 V，5.5 V和6.0 V电源电压下的S参数和噪声温度。如图8，低噪声放大器增益随着电源电压的升高而升高，电源电压为6 V时的增益与4.5 V时的增益相差接近1 dB。如图9，S11随着电压升高而降低，S22随着电压升高而升高。如图10，当电源电压在5.0 V和5.5 V时的噪声性能优于4.0 V和6.0 V时的噪声性能，此时在1.8 GHz处噪声温度典型值35 K。综合考虑增益、S参数以及噪声温度，本文研制的低噪声放大器工作在电源电压为5.0 V可获得最优性能：带内增益大于26 dB，典型噪声温度35 K，S11优于-10 dB，S22优于-15 dB。

图8 不同输入电压时低噪声放大器的增益变化Fig.8 LNA′s gain changing with different supply voltage

图9 不同输入电压时低噪声放大器的S11, S22变化Fig.9 LNA′s S11 and S22 with different supply voltage

图10 不同输入电压时低噪声放大器的噪声温度

1 dB压缩输出功率是衡量放大器动态范围的一个指标，其值越大说明放大器的线性动态范围越大[11]。在放大器动态范围内，放大器的输出功率随放大器的输入功率的增加而增加，当输入功率增加到一定程度，放大器将进入非线性工作区，放大器输出功率不再随着输入功率增加而增加，此时输出功率低于预期值。本文测试了电源电压为5 V时，低噪声放大器在1.8 GHz 频点处的1 dB压缩点，如图11。测得输入功率1 dB压缩点为-13 dBm。

图11 输入电压5 V时1.8 GHz处1 dB压缩输出功率测试

3 结 论

本文使用砷化镓工艺的pHEMT ATF-54143设计了一款可工作在1.35～2.0 GHz频带范围内的低噪声放大器。该放大器使用两级拓扑结构，单电源自偏置供电。电源电压5～6 V下均能正常工作，且具有良好的输入输出匹配、高增益、噪声温度低、动态范围大等特点。本文所研制的低噪声放大器除了可以用在L波段的射电天文望远镜接收机以外，还可以用于空间卫星通信和电波环境监测系统。