一种12 GHz 的高增益低噪声放大器

何谟谞 ，胡钧剑 ，高 博 ，贺良进

(1.成都飞机工业(集团)有限责任公司，四川 成都 610090；2.四川大学 物理学院，四川 成都 610065)

0 引言

随着无线通信的快速发展，低频段已不能满足应用需求，使用频段逐渐向高频段发展。在X～Ku 波段中，12 GHz 频段被广泛用于卫星广播业务和高清电视数字广播通信系统，同时，12 GHz 频段还有望被用于5G 通信服务[1-2]。除此之外，该频段也被用于个人医疗健康检测，从生物电信号中提取特征信息以实时监测人体的健康状况[3]。12 GHz 低噪声放大器是该类应用研究中不可缺少的单元。

作为射频前端的第一个有源电路，LNA 需要有高增益、低噪声以及好的信噪比。在高频段，LNA 的设计变得困难，各项性能指标难以同时达到更好，对高增益、低噪声、高集成度等性能的放大器提出了更高的挑战[4]。

目前报道的文献中，大都采用多级级联以提高放大器的增益，级间需要匹配增加了电路的复杂程度以及芯片面积。在文献[5]中，使用了共源共栅结构和共源级设计LNA，实现了较高的峰值增益，但是，其使用了三级结构，而且工作频率较低；文献[6]中也使用了共源共栅结构设计LNA，可工作在较高的频率下，由于使用的CMOS工艺在高频下的局限性，无法实现较高的增益和较低的噪声系数；文献[7]中基于GaN 工艺设计的LNA 在X 波段下可实现较高的增益，但是噪声系数和功耗很高；文献[8]中采用级联共源级实现的LNA，具有较低的功耗和噪声，但是增益不是很高。

目前，已有MESFET、HEMT、GaAs pHEMT 等多种高性能低噪声的半导体结构应用于放大器的设计。其中，GaAs pHEMT 晶体管，它在未掺杂GaAs 层和掺杂AlGaAs层中引入了InGaAs 薄层，这种特殊的结构可使电子聚集在InGaAs 层的半导体界面附近，由于两侧是高能带材料，因此电子在聚集层中具有非常高的流动速度。这种结构器件具有高的饱和电子速度、输出跨导、器件电流等，从而可获得更高的增益和较低的噪声系数，并且具有更好的频率性能[9]。

本文的高增益低噪声放大器基于0.25 μm GaAs pHEMT 的TGF2040 晶体管进行设计。该晶体管的工作频率范围覆盖DC-20 GHz，在12 GHz 时有13 dB 的增益，并且在2 V、32 mA 的直流工作条件下最小噪声系数为0.81 dB。设计中参考共源共栅结构提出一种两级增益结构，在12 GHz 频段实现了27 dB 以上的增益，同时两级共用电流技术降低了电路功耗。

1 低噪声放大器的设计

低噪声放大器在设计过程中，需要考虑噪声系数、增益、稳定性等多种因素，提高电路稳定性的同时会使增益降低。在反射系数ΓS的复平面上画出所选器件的等噪声系数圆和等增益圆，它们各自的最佳位置不一致，不能同时实现最小噪声系数和最大功率增益，因此在进行设计时，需要对噪声和功率进行折中设计。

1.1 电路结构

传统的高增益设计中，两级LNA 设计采用两个共源级级联构成，这种结构的一个重要特性是增益为两个级联结构的增益积，具有高增益，但功耗也增加。

本次设计的电路结构如图1 所示，借鉴共源共栅结构，将共源级输出通过电容耦合到共栅器件的输入端，并采用电感串联。通过改进后的结构形成了两个共用电流的共源级级联结构。射频信号通过电容耦合沿实线路径进行传输，电感设计阻止射频信号，直流偏置电流流经虚线路径为两个晶体管所共用，达到节省功耗的目的。第一级晶体管的源端串联负反馈电感L1，提高了电路的稳定性，并且可以同时实现输入端共轭匹配和最小噪声匹配。第一级的栅-源之间并联电容C1，用来匹配栅-源之间的寄生电容Cgs，调节最佳的输入阻抗。级联电感L2 改变了第一级放大器的输出路径，并作为第二级的源端负反馈，提高电路的稳定性。电容C2 可以提高电路在高频下的增益和带宽。电容C3 作为交流电路中的参考地，影响交流通路中整个电路的稳定性。

图1 基本电路结构

1.2 稳定性分析

放大电路的设计目标之一是电路的稳定，以保证放大器能够稳定的在工作频段内完成放大功能。提高电路稳定性的方法之一是在源端串联负反馈电感，适当地调节电感可使电路的最佳噪声源反射匹配到共轭阻抗[10]。本设计采用源级退化电感增加电路的稳定性。

放大电路是否稳定常采用绝对稳定系数K 来判断，电路K 绝对稳定的充分必要条件为：

通过CAD 软件对电路进行稳定性模拟仿真，结果如图2 所示，在目标频率范围内，稳定系数K 始终大于1，因此该电路处于稳定状态。

图2 稳定系数K 的曲线图

1.3 匹配电路的设计与分析

电路的输入端和输出端均采用LC 阶梯匹配网络，拓扑如图3 所示。该匹配网络做电路匹配时有较小的Q值，在宽频带内可以同时获得低噪声系数和高输出功率增益，实现良好的输入输出匹配[11]。

图3 LC 阶梯匹配网络

电路的等噪声系数圆和等增益圆如图4 所示。电路输入端为实现最小噪声系数，输入端阻抗定义为m1点的最小噪声系数阻抗，并匹配到50 Ω；输出端匹配按照增益最佳匹配进行设计。

图4 等噪声系数圆和等功率增益圆

通过合理地设计LC 阶梯匹配网络可实现电路的输入输出匹配。图5 显示了模拟的S11和S22在11.7～12.3 GHz内满足Γ=0.316，即回波损耗优于-10 dB，表明设计的LC 阶梯匹配网络实现了良好的输入输出匹配。

图5 基于LC 阶梯匹配网络的S11 和S22 仿真结果(Γ 为反射系数)

1.4 电路性能分析

电容C1 并联在第一级的栅-源之间，用来补偿栅源的寄生电容Cgs，调节最佳的输入匹配。通过对C1 进行变量分析，得到不同的电容值对S11的影响，如表1 所示，取C1 的值为0.35 pF 时，可得到S11＜-10 dB 的最大的带宽为2 GHz。

表1 C1 对S11 参数的影响

级联的电容C2 与电感L2 以不同的作用对电路的增益和回波损耗有影响。表2 和表3 分别为电容C2 和电感L2 对增益(在12 GHz 时)以及S11(S11＜-10 dB)和S22(S22＜-10 dB)的影响。随着电容和电感从小到大的变化，增益先增大后减小，同时考虑S11和S22小于-10 dB 的带宽，取C2=0.6 pF，L2=0.31 nH，可使电路在增益最大化的同时，输入和输出回波损耗都最佳。

表2 C2 对增益、S11、S22 参数的影响

表3 L2 对增益、S11、S22 参数的影响

2 电路仿真结果

整体电路结构如图6 所示，器件的直流工作点选取为：Vds=2 V、Ids=32 mA。

图6 整体电路结构图

使用CAD 软件进行参数仿真，仿真结果如图7 所示，在12 GHz 放大器的增益达到27.299 dB，最小噪声系数为0.889 dB，同时S11和S22都小于-10 dB，说明该电路在中心频率为12 GHz 时有很好的匹配性，覆盖范围大概为11.7～12.3 GHz。

图7 仿真结果

表4 展示了本次设计与同频带内的LNA 的比较。所设计的共电流型两级级联结构LNA 在12 GHz 的频带内具有最高的增益、最小的噪声系数(NF)以及较小的功耗。尽管所设计的LNA 频带较窄，仅为600 MHz 左右，但是满足12 GHz 中心频带的应用需求。

表4 不同文献中设计的低噪声放大器电路性能参数对比

3 结论

本文基于0.25 μm GaAs pHEMT 的TGF2040 器件，借鉴了共源共栅结构，通过改进形成共电流型两级低噪声高增益放大器。用LC 阶梯网络实现电路的输入、输出匹配，两级结构中都引入源级负反馈增加了系统稳定性。通过CAD 仿真，该放大器在12 GHz 时有27.299 dB的高增益，噪声系数为0.889 dB，在11.7～12.3 GHz 的频率范围内，S11和S22均小于-10 dB，电路稳定，具有良好的性能。