面向5G毫米波通信的砷化镓低噪声放大器设计

张 耀，苏 进

（1.广东工业大学 信息工程学院，广东 广州 510006；2.中国铁路广州局集团有限公司广州通信段，广东 广州 510000）

0 引言

近几年，第五代移动通信技术（5G）快速发展，5G开拓了资源丰富的毫米波频段，对射频器件提出了更高的要求，如高频率、大带宽、高功率密度、低噪声等。作为第二代半导体材料的代表，砷化镓（Gallium Arsenide，GaAs）电子迁移率高，频率特性良好，在微波器件中广泛应用。

低噪声放大器的噪声和增益决定着接收机系统的整体性能，目前广泛采用GaAs pHEMT器件，因其高电子迁移率、高工作频率、高增益和低噪声的优越性能[1]，深受国内外优秀厂商的青睐。同时，由于器件的性能要求不断提高，电路设计的复杂度也逐渐提升，单片微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）因其高集成度的优点受到广泛应用[2]。

本文面向新一代5G毫米波移动通信应用，基于0.15 μmGaAs pHEMT技术设计了一款MMIC毫米波宽带低噪声放大器。

1 整体电路结构

本文设计的GaAs MMIC低噪声放大器电路拓扑结构如图1所示，为了实现足够的小信号增益，采用了三级共源级联放大的结构。第一级的设计主要考虑噪声系数的优化，第二级主要考虑提高增益，同时兼顾噪声，第三级则重点提高输出功率和线性度。

图1 低噪声放大器电路拓扑结构

2 LNA电路设计

第一级放大器的噪声决定着整体电路的噪声性能，输入匹配的设计尤其重要。放大器的噪声系数可以定义为[3]

由此可得当Zs=Zsopt时，可以实现最优噪声NF=NFmin。但这种匹配方式会牺牲掉增益，使输入级不能有效抑制后级放大器的噪声，在源极串联电感到地，实现局部的串联反馈，能够实现增益匹配和噪声匹配的初衷。

输入级电路如图2所示，经过对单管的仿真，确定使用4×25 μm的pHEMT管作为输入级。源端接入TLs实现源极电感反馈，假设TLs为纯电感Ls，Ls可以为输入。

图2 带源极反馈的输入级电路

阻抗提供了一个实部阻抗，考虑管的栅源寄生电容Cgs，恰当地调整Ls的值，能实现益和噪声的折衷。输入匹配网络由C1、TL1组成，C1同时用于直流阻隔。C2，TL2和R1构成栅极偏置网络，其中TL2部分参与输入匹配，C2用于滤除射频信号，R1小电阻的加入能够有效提高放大电路的稳定性。C3和TL4构成漏极偏置网络。

出于对增益和线性度的需求，第二级和第三级管芯的尺寸比第一级大，分别为4×50 μm和6×50 μm，管芯逐级增大的设计方法可以较好地折衷噪声和线性度[4]，相应地，功耗会增大。级间匹配和输出匹配的设计与输入匹配相仿，如图1所示，输出匹配中为了改善输出回波损耗，使用微带线开路作电容的方法实现典型的LC匹配。

3 仿真与测试

设计完的版图通过ADS软件进行电磁仿真，对微带线的长度、宽度和拐角进行微调，优化性能。最终版图通过DRC、LVS规则检查后即可流片。

该GaAs MMIC低噪声放大器芯片的测试采用微探针台、矢量网络分析仪、频谱仪等仪器对芯片进行了在片的S参数和噪声系数的测试，信号输入、输出端口需要用到探针GSG结构的探针，漏极和栅极的馈电。

探针分立，所有测试在室温下进行。图3为该低噪声放大器S参数的仿真与测试结果对比，其中虚线为EM后仿结果，实线为测试结果。在26～30 GHz频段内，实测小信号增益为23～26 dB，S11和S22在﹣10dB左右，增益实测曲线与仿真曲线的趋势吻合。图4为噪声系数的测试结果，在频段内噪声系数为2.4～3.0 dB，其中最小值在30 GHz。栅极偏置电压Vg=﹣0.65 V，漏极偏置电压Vd=2 V，功耗为190 mW。

图3 S参数仿真与实测结果对比

图4 噪声系数实测结果

4 结语

本文提出了一种工作在26～30 GHz频段的低噪声放大器，采用栅长为0.15 μm的GaAs pHEMT工艺设计，直流功耗为190 mW。在工作频段内，噪声系数在2.4～3.0 dB的水平，增益为23～26 dB，输入、输出回波损耗在-10 dB水平，可应用于5G毫米波通信n257频段。