Ku波段 GaN 单片低噪声放大器的研制

2017-06-27彭龙新凌志健

电子与封装 2017年6期

关键词：噪声系数低噪声单片

刘昊，彭龙新，牛超，凌志健

（南京电子器件研究所，南京 210016）

Ku波段 GaN 单片低噪声放大器的研制

刘昊，彭龙新，牛超，凌志健

（南京电子器件研究所，南京 210016）

研制了一款 Ku 波段 GaN 单片低噪声放大器，该放大器采用了 GaN 0.25 μm Ku 功率工艺，工作电压为 10 V。在 12～18 GHz 频带内，噪声 NF≤2.9 dB，增益 G≥20 dB，输入驻波比 VSWR1≤1.8，输出驻波比 VSWR2≤1.5。该芯片在 16 GHz 下，承受 38 dBm 的大功率输入脉冲（周期为 1 ms，占空比为 10%） 10 min，经测试未发现低噪声放大器芯片烧毁的现象。

低噪声放大器；耐功率；GaN；单片

1 引言

低噪声放大器广泛应用于通信、微波测量、雷达等接收系统中，作为接收系统的第一级，对整个接收系统起到重要作用。GaAs低噪声放大器承受功率有限，一般不超过 20 dBm[1]，T/R 组件需要在低噪声放大器前端增加限幅器，这就增加了额外的噪声、体积和成本，而 GaNHEMT 可以承受很大的输入功率，在耐功率要求不高的情况下可以省去限幅器，会得到更好的低噪声性能。近几年介绍 GaN 低噪声放大器的文章中，其可承受输入连续波功率的有 31 dBm、33 dBm、36 dBm、37 dBm，脉冲输入则可以达到 46 dBm[1～5]，所以对 GaN LNA 的研究很有意义。

本文采用 0.25 μm GaN Ku 功率工艺研制了一款12～18 GHz的低噪声放大器，主要设计指标为：噪声系数 NF≤3 dB，增益 G≥20 dB，增益平坦度为±1 dB，输入驻波比 VSWR1≤2.0，输出驻波比 VSWR2≤1.8。输入38 dBm 的脉冲信号（16 GHz 下周期为 1 ms，占空比为10%），耐功率 10 min 后，经测试未发现低噪声放大器芯片烧毁的现象。

2 低噪放的设计

2.1 放大器结构的选择

低噪声放大器的拓扑结构有电抗匹配式、反馈式、分布式、平衡式等，各种结构各有优点。

此次采用的是负反馈结构。引入负反馈结构可以改善放大器的增益平坦度、晶体管的稳定性和输入输出匹配，为放大器提供更宽的频带，并在一定程度上降低对工艺的敏感度。

偏置电阻可以使电路的第一级增加一定的承受功率能力，三级放大器均采用自偏置结构。级联结构的噪声系数为：

其中 Fi表示的是第 i级的噪声系数，Gi表示第 i级的增益。式（1）中放大器的噪声主要由第一级决定，所以第一级最小噪声电抗匹配，增益尽可能高；后两级采用并联的负反馈，设计成正斜率增益，以补偿前级的负斜率增益。

2.2 GaN HEMT 工作状态的选择

该放大器三级均使用 4 μm ×50 μm 的 GaN HEMT，为了使放大器性能达到最佳，对管芯的微波特性进行测试分析，确定其最佳静态工作点。测得在16GHz下，栅极电压为-1.8 V 时，不同漏极电压下的最小噪声系数和相关增益如表1 所示。在漏极电压为 9 V 时，其最小噪声系数为 0.99 dB。从表1 中还可以看出，在栅压为-1.8 V 时，漏极电压对噪声和增益影响不大。在这个条件下，低噪声放大器正常工作，具有良好的噪声系数和增益。

表1 GaN HEMT 在不同漏压下的噪声系数和相关增益（16 GHz，Vgs=-1.8 V）

2.3 低噪声放大器的仿真设计

低噪声放大器的第一级使用最小噪声系数匹配技术[6]，后两级采用负反馈技术。

对于第一级放大器，输入端要进行噪声匹配，根据式（1）可知，第一级放大器的增益对整个放大器的噪声产生较大的影响，所以需要在增益和噪声性能上进行折中设计。

如图1 所示，X 曲线是 GaN HEMT 在漏极电压为9 V、栅极电压为-1.8 V 时 12～18 GHz 范围内最佳噪声反射系数 Γopt；Y 曲线是在 HEMT 管加入自偏置反馈网络后，在频带内的最佳噪声反射系数。输入匹配按照 Y 曲线进行匹配，但是需要对输入驻波比、电路稳定性和增益性能进行折中。图2 是 GaN HEMT 源极增加了自偏置结构，在 14 GHz 时 Smith 圆图上的等噪声圆和等增益圆。m2 点是最佳增益点，为 12.93 dB， m3 点是最小噪声点，最小噪声系数为 0.96 dB。

图1 12～18 GHz 下 GaN HEMT（X）、管芯加入自偏置网络（Y）的 Γopt

图2 14 GHz下的 HEMT 加源极自偏网络的等增益圆和等噪声圆

在放大器的设计过程中，需要对噪声、增益的阻抗匹配之间采取折中的方式，对于低噪声放大器的第一级，要选取一个更靠近最小噪声匹配的输入阻抗，但是也要考虑到增益对整体噪声系数的影响。在 15 GHz的频率点，将噪声系数 NF 调整到 1.25 dB，增益 G 调整到 6.6 dB，输入驻波调整到 1.6。如图3 所示是第一级放大器在整个频带内的增益和噪声系数，可以看出其噪声系数小于 1.9 dB，增益大于 5 dB，其增益平坦度很差，呈负斜率状态，需要后两级放大器对其进行调整。

图3 第一级放大器的增益和噪声系数

第一级放大器的设计中得到了较低的噪声系数和较高的增益，放大器后两级采用并联负反馈的结构，形成正斜率增益，来补偿第一级增益的负斜率，同时也增加放大器的增益。

如图4所示为三级低噪声放大器的电路拓扑图。调整图中的后两级负反馈阻抗 Rf1、Rf2可以改善整个放大器增益平坦度，使得增益向正斜率方向倾斜，平衡第一级的负斜率增益。图中的 Rd1是第一级放大器漏极与外接电源之间的小电阻，主要可以增加放大器的稳定性，防止低频端自激的产生。在第一级放大器栅极接地电感上的串联 RC，也可以防止放大器低频自激的产生。三级的级间匹配和输出端匹配均采用了电容电感的串联结构。

图4 三级放大器的电路拓扑结构

通过 ADS 进行版图仿真，结果如图5 所示，设计的放大器增益在 23～24 dBm 之间，具有较好的平坦度，噪声小于 2.5 dB，输入驻波比 VSWR1≤2，输出驻波比 VSWR2≤1.8，满足设计要求。

图5 三级低噪声放大器的仿真结果

上面设计的是采用 0.25 μm 功率 GaN HEMT 的工艺，如果采用低噪声材料和低噪声工艺，能够降低放大器的噪声系数。由 Fukui噪声模型推导出[7]：

式中，Ids为漏极电流，Lg为器件栅长，vsat为沟道中的载流子饱和速度，Ec为载流子速度饱和时对应的临界电场，Rs和 Rg分别为源极和栅极的寄生电阻。

从式（2）中可以看出，缩短栅源、栅漏间距，可以减小栅、源的寄生电阻 Rs和 Rg，从而降低 GaN HEMT 的噪声系数。选用合适的栅金属和增加栅厚度可以降低栅极寄生电阻。栅长 Lg从 0.25 μm 缩短到 0.15 μm，则管芯噪声系数将降低 20%以上。

3 GaN 低噪声放大器的测试结果和分析

3.1 低噪放性能测试结果

一款基于 0.25 μm 的 GaNHEMT 单片低噪声放大器，经过调试后，外加 10 V 的电压。如图6 所示，在工作范围 12～18 GHz 内，噪声系数 NF≤2.9 dB，增益G≥20 dB，输入驻波比 VSWR1≤1.8，输出驻波比VSWR2≤1.5。

图6 LNA的小信号性能参数

图7 显示低噪声放大器输出 1 dB 功率，在频带范围内基本稳定在 17 dBm 以上。

3.2 可承受功率的测试结果

对低噪声放大器进行了耐功率测试，采用 16 GHz下周期为 1 ms、占空比为 10%的脉冲输入信号，输入功率从 30 dBm 到 39 dBm，每次递增 1 dBm，在每个功率下进行 10 min 耐功率测试，在测试过程中发现低噪声放大器始终处在外加 10 V工作电压的状态下。图8（a）中可以看出随着输入信号功率的不断增大，输出功率是逐渐变小的。图8（b）中的 Id1表示静态工作电流，Id2表示输入功率后的工作电流，随着输入功率增大，放大器耐功率时的工作电流会逐渐减小。

图7 低噪声放大器的1 dB压缩电平

图8 16 GHz、周期 1 ms占空比 10%的脉冲信号下输入、输出功率之间的关系和输入功率前后工作电流变化量

图9 是耐 38 dBm（其他条件同上）前后的噪声系数和增益的对比图，其中增益下降在 1 dB 以内，而噪声变大在 0.7 dB 以内（14 GHz）。增益和噪声系数发生一定变化，是因为对低噪声放大器进行耐功率时，第一级 HEMT 的栅极会产生一个流入管芯的电流，这个电流会使第一级的 HEMT 加快老化，从而导致放大器性能短时间内就发生一些变化。

图9 低噪放承受 38 dBm 前（a）后（b）的噪声系数和增益对比

4 结论

基于 0.25 μm GaN Ku 功率 HEMT 工艺，研制了一款低噪声放大器，在 12～18 GHz 条件下，噪声系数NF≤2.9 dB，具有 20 dB 的增益，并且还进行了良好的输入输出匹配。

该放大器具有较好的耐功率特性，可以承受16GHz、38 dBm 的 1 ms 周期 10%占空比的脉冲信号 10 min的冲击，使得 GaN 低噪声放大器在一些条件下可以省去前端的限幅器，降低了系统的噪声。

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Ku-Band GaN Low-Noise Amplifiers MMIC

LIU Hao,PENG Longxin,NIU Chao,LING Zhijian
（Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing 210016,China）

A Ku-band GaN monolithic-microwave integrated-circuit low-noise amplifier is designed and fabricated using GaN 0.25 μm technology.The amplifier working at10 V with a current160 mA has a noise figure below 2.9 dB，a gain over20 dB and input/output VSWR less than 1.8/1.5 from 12 GHz to 18 GHz.The amplifiercan endure 38 dBm ofinputpulse power(1 ms period and 10%duty ratio at16 GHz)for10 minutes.

low-noise amplifier(LNA);endurance;GaN;MMIC