一种W波段宽频带低噪声放大器设计

博微太赫兹信息科技有限公司 中国电子科技集团公司第三十八研究所 武 帅 高炳西 冯 辉

引言

低噪声放大器一般位于接收机或辐射计的前端，主要用于放大微弱的接收信号，根据级联系统噪声系数分析方法，其性能直接影响系统的总噪声系数及灵敏度，对于降低接收前端系统噪声干扰，提高整体性能起着至关重要的作用。因此，低噪声放大器一直是雷达、通信和电子对抗等系统中的关键微波部件，有着广泛的军用和民用价值。

随着通讯、航天、空间技术的发展，电磁波谱资源越来越拥挤，国际社会加大了高频率段电磁波谱的开发力度，毫米波、亚毫米波芯片与器件逐渐成熟。国内外已有很多关于毫米波低噪声放大器芯片的报道，采用的工艺技术有GaAs HEMTs[1][2]、InP HEMTs[3][4]等。其中, InP HEMTs具有高增益、高电流截止频率、低噪声以及低直流功耗等优点。目前，在W波段具有代表性的商用低噪声放大器芯片有（1）法国OMMIC公司的型号为CGY2190UH/C2的宽带低噪声放大器芯片。该芯片采用70nm MHEMT工艺技术，由4级级联放大器组成，工作频率75～110GHz，噪声系数典型值2.8dB，带内增益典型值23dB。（2）美国Northrop Grumman公司型号为ALP283的低噪声放大器芯片，该芯片采用0.1um InP HEMT工艺技术，工作频率80～100GHz，由5级放大器组成，噪声系数典型值2.5dB、噪声系数平均值2.1dB，带内增益典型值29dB。（3）瑞典Gotmic公司型号为gANZ0017A低噪声放大器芯片，工作频率75～110GHz，噪声系数典型值5dB，增益系数典型值17dB。（4）中国电子科技集团第13所型号为M3N1605的低噪声放大器芯片，工作频率75～110GHz，噪声系数典型值3.0dB，增益系数典型值20dB。

本文将介绍一款基于OMMIC公司型号为CGY2190UH/C2芯片的宽带低噪声放大器模块的设计。

1.总体设计

本文阐述的W波段低噪声放大器总体设计指标如下：

工作频率范围：75～110GHz

带内增益：>20dB

噪声系数：3.0dB（典型值）

输入输出接口：WR10·UG/387-M

电源输入：DC+5V

低噪声放大器的输入输出接口为标准的WR10波导接口，需要将波导的TE10模转换成适合平面微波电路传输方式，以满足低噪声放大器单片的设计需要。输入电源为DC+5V，而低噪声放大器单片栅极电压为0～-0.1V，漏极电压为+1～+1.2V，需要设计相应的偏置电路。根据设计指标要求，低噪声放大器总体设计方案如图1所示。

图1 低噪声放大器总体设计方案

2.波导-微带变换器设计

波导微带转换过渡器是将波导传播的TE10模式转换成适合平面微波集成电路传输模式，解决波导电路与平面微波电路间合理连接和阻抗匹配问题，保证系统的最佳工作性能。目前，根据平面微波集成电路形式，广泛应用于100GHz左右的波导过渡器主要有波导-微带过渡器、波导-鳍线过渡器、波导-悬置微带线过渡器以及波导-介质波导过渡器等形式。其中，波导-微带过渡器存在两种形式：[5]（1）脊波导变换器，它是利用多级1/4阶梯脊波导阻抗变换器完成从波导阻抗到微带线特性阻抗匹配。在频率较高时，加工制造与装配难度高，不易于实现。（2）波导-微带探针变换器：波导-微带探针是在波导的宽边或窄边中心插入波导腔内，通过调节微带探针宽度与位置来调节微带探针匹配系数及特性阻抗。

根据低噪声放大器单片射频输入输出结构形式与机械制造与装配工艺水平，我们采用E面波导-微带探针变换器（从波导宽边中心插入，探针平面方向平行于波导传输方向），作为波导到微带转换。其结构如图2所示。

图2 E面波导-微带探针变换器结构

波导探针基板采用容熔态SiO2，为减小微带与芯片互联时由高度差引起的插入损耗与驻波恶化，基板厚度与低噪声放大器芯片厚度保持一致为0.1mm。表层采用溅射厚度>2um纯金层，同时满足微波传输与金丝键合的要求。为了抑制转换过程中高次模传输，波导探针上部开口高度0.26mm；通过高阻抗传输线来抵消波导E面开口寄生电感，同时起到阻抗变换与拓展带宽的目的。根据低噪声放大器芯片输入阻抗要求，探针输出阻抗为50ohm。为了方便探针焊接对位精度，设计中将高阻抗线的起始边沿与波导边沿重合。

图3 波导-微带变换器

为测试波导-微带变换器传输特性，我们设计了“背靠背”式两只完全一致的波导-微带变换器，其仿真模型与测试结果如图3所示。

从测试结果上看，“背靠背”式波导-微带变换器在75～110GHz范围内插入损耗约为0.3～0.55dB，较仿真结果高约0.25dB，这主要是由于波导连接的不连续性和剖分的波导结构造成的插入损耗。全频带范围内单只波导-微带变换器的插入损耗（S21）<0.28dB，基本满足设计要求。

3.W波段低噪声放大器模块设计与测试

有源微波电路需要给芯片提供合适的工作电压，为了避免射频信号对直流偏置电路的干扰与影响，采取射频与直流分腔处理的方式。

本文中阐述的低噪声放大器栅极电压为0～-0.1V，漏极电压为+1～+1.2V，在直流腔内通过线性电源稳压芯片将输入的DC+5V电压转换到需要的电压值，再通过穿心低通滤波器穿入射频腔，通过并联的400pF、100pF芯片电容给低噪放的各级供电，并采用栅极与漏极分两侧供电的方式；穿心低通滤波器的作用主要是用于增加射频腔与直流腔的隔离度，芯片电容主要作用为滤除直流电压纹波并去耦合泄露射频的射频。设计模型如图4所示。

图4 W波段宽带低噪声放大器设计模型

由于低噪声放大器芯片采用无封装的“裸片”形式，当“裸片”被封装在金属腔体内部后，由于其工作波长与金属腔体的特征长度相当，腔体的谐振频率会与组件的工作频率重合，腔体内部容易产生谐振现象，进而影响组件的正常工作。所以低噪声放大器模块设计需要分析腔体的谐振特性，对保证组件的稳定工作具有非常重要的指导意义。工程上较常见的方法是通过合理设计腔体尺寸、在腔体内壁面粘贴或涂抹吸波材料等方法消除组件内的腔体效应。可以通过HFSS仿真S参数计算方法与本征模求解方法分析低噪声放大器的腔体效应。通过合理腔体的结构设计，有效抑制了工作频带范围内腔体的低次模产生，65～120GHz范围内腔体的最低阶模数为（2,0,2），属于高阶模式，其主模谐振频率不在低噪声放大器的工作频率范围，可认为该腔体状态下不存在对组件工作稳定性造成影响的腔体效应。图5为设计的低噪声放大器模块内部低阶模（2,0,2）电场强度分布。

图5 腔体内低阶模（2,0,2）电场强度分布

采用中国电子科技集团公司第四十一研究所生产的矢量网络分析AV3672D及其扩频模块AV3640A测试了模块的增益系数，其测试结果如图6所示。全频带增益系数～20dB,高频段（>100GHz）相对设计略低，初步分析者这主要是高频部分受金丝互联及波导微带变换器插入损耗及驻波比较差导致的。全频带范围内与在片测试结果基本一致。

图6 低噪声放大器模块增益系数测试结果

采用噪声分析仪3986E及其相应的扩频模块AV82411L（75-88GHz）；AV82411N(86.5-100GHz)测试其噪声系数，测试结果如图7所示。受噪声分析仪测量范围限制，只进行了75～100GHz噪声系数测试；全频带噪声系数～3.0dB，满足设计指标要求。

图7 低噪声放大器模块噪声系数测试结果

4.结论

本文介绍了一种利用OMMIC公司的型号为CGY2190UH/C2的宽带低噪声放大器芯片设计的W波段宽带低噪声放大器模块。通过优化波导微带变换器插入损耗，分析其内部腔体效应，保证了低噪声放大器模块的稳定工作。实验测试结果显示，研制出的低噪声放大器模块符合设计指标要求，带内噪声系数优于3.0dB，增益>20dB，有效工作带宽75～110GHz，性能较好，可广泛适用于通信、人体安检等应用领域。

[1]Wang H,DOW GS,ALLEN B R,et al.,High performance W band monolithic InGaAs pseudomorphic HEMT LNAs and design analysis methodology, IEEE Trans on MTT2S ,1992,40(3):4172428.

[2]TU D W,BERKW P,BROWN S E,et al.High gain monolithic p-HEMT W band four stage low noise amplifiers,Microwave and Millimeter2Wave Monolithic Circuits Symp.San Diego,USA, 1994:29232.

[3]WANG H,LAI R,CHEN T H,et al.A monolithic W band three stage LNA using 0.1 μm InAlAs/ InGaAs/InP HEMT technology, IEEE MTT2S Dig.Atlanta,GA,USA,1993:5192522.

[4]WEINREB S,LAI R,ERICKSON N,et al.,W band InP wideband MMIC LNA with 30 K noise temperature[C].IEEE MTT2S Int Microwave Symp.Anaheim,USA,1999:1012104.

[5]郑国宝,盛奕建,等.毫米波仪器的频率扩展技术[C].中国微波毫米波测试技术论文集,PP 190～194.