星载L波段宽带低噪声放大器芯片设计

赵博超，徐辉，殷盼，贺娟，张大为，徐鑫

中国空间技术研究院 西安分院，西安 710100

低噪声放大器(LNA)是现代通信卫星、导航卫星、侦查卫星等系列卫星接收机中的核心电路，其作用主要是在降低信号噪声的基础上，将天线收到的微弱信号进行放大[1]。低噪声放大器的噪声系数决定了接收系统的灵敏度，较低的噪声系数有利于通信系统在复杂环境下仍能接收到卫星信号[2-3]；其集成度很大程度影响了卫星通信系统的体积和质量，较小的尺寸有助于实现卫星有效载荷小型化；一个状态稳定的低噪声放大器有助于提高卫星通信质量，提高工作可靠性和抗干扰能力[4-5]。

高频段低噪声放大器(Ku频段以上)，由于其频段特征尺寸较小，可以采用面积很小的芯片形式实现，且具有较好的性能[6-7]。而低频段低噪声放大器由于特征尺寸大，片上电感品质因数(Q值)低，很难用单片微波集成电路(MMIC)形式实现，一般由晶体管加外围匹配电路实现，具有尺寸大、一致性差和调试困难等缺点[8-9]，不符合航天应用小型化、轻量化、高可靠的需求特点。Rahman等采用双路非线性消除方法实现了一款2.4 GHz下噪声系数为2.8 dB的低噪声放大器芯片[10]，但由于采用65 nm 互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺，该噪声系数还有很大的提升空间。Bergervoet等采用0.25 μm SiGe工艺实现了一款应用在宽带码分多址移动通信系统(WCDMA)中的级联工作模式低噪声放大器，在1.9 GHz内噪声系数为1.0 dB，工作电流为200 mA[11]。国内相关单位在低频MMIC低噪声放大器方面也做了研究，在降低噪声系数、减小芯片尺寸、提高工作带宽方面有所突破[12-14]。然而，由于工艺与设计的限制，噪声系数小于1 dB的低频MMIC低噪声放大器很少有报道。

本文基于0.25 μm栅长GaAs增强型HEMT工艺，首先对比不同尺寸的晶体管模型特点选择最佳栅宽和栅指数；其次采用电流复用技术将芯片功耗降低为原来的一半，通过两级负反馈结构优化了芯片的带宽和增益平坦度，使用恒流源偏置技术降低了芯片的离散性；然后通过对比3种不同的电感工艺选择了最适应的电感类型；最终在2.0 mm×1.3 mm尺寸内实现了低噪声、低功耗的宽带MMIC，具有一致性高、可靠性强的优点，满足航天应用。

1 电路仿真设计

1.1 晶体管尺寸选择

晶体管尺寸选择是MMIC低噪声放大器设计的第一步，晶体管尺寸包括晶体管单指栅宽和栅指数。对于高频MMIC而言，阻抗匹配网络由片上微带线和片上电容组成，损耗较小，因此阻抗匹配网络对噪声影响较小。所以高频MMIC噪声系数主要由晶体管本身决定，在同一偏置下，最小噪声系数随尺寸增加而增大，因此高频电路选择较小的晶体管尺寸比较合适。

对于L波段MMIC而言，晶体管的最小噪声系数随尺寸变化较小，而该频段的阻抗匹配网络离不开片上电感，损耗较大，所以该频段噪声系数主要由匹配网络决定，因此晶体管的尺寸选择要求能用较少的元件完成阻抗匹配。

最小噪声系数对应的最佳阻抗随晶体管单指栅宽(Wg)和栅指数(Ng)的变化曲线如图1所示。可以看出，在0.9～1.8 GHz频率范围内，单指栅宽越大，栅指数越多，最佳阻抗越接近史密斯圆图的中心，越容易完成匹配。因此本文选择晶体管尺寸为(100×8) μm。

图1 最佳阻抗与晶体管尺寸的关系(900.0 MHz～1.800 GHz)Fig.1 Optimum impedance varies with the size of HEMT (900.0 MHz to 1.800 GHz)

1.2 电流复用

为了得到较低的噪声系数，采用尺寸较大的晶体管以方便阻抗匹配。而工作电流随着晶体管尺寸线性增加，因此需要采取措施降低电流，从而降低器件功耗。本文采用电流复用的方法将两级放大器电流降低至常规结构的一半。

本文MMIC采用两级放大拓扑，常规结构与电流复用结构如图2所示，常规结构两只晶体管在直流上并联，每一只晶体管漏极偏置电压Vdd为电源电压，芯片总偏置电流Id1为两级偏置电流之和；本文所采用电流复用结构是两只晶体管在直流上串联，每一只晶体管漏极偏置电压为电源电压的一半，偏置电流Id2流过每一级晶体管，实现了偏置电流的重复利用，降低了整体功耗。在图2(b)中，电感L1具有通直流、隔射频的作用，电容C1具有通射频、隔直流的作用。因此该结构在直流方向是两个晶体管串联，电流减半；在射频方向是两个晶体管级联，增益相加。

图2 常规结构与电流复用结构对比Fig.2 Comparison of conventional structure and current reuse structure

1.3 负反馈

为了提高低噪声放大器的带宽及稳定性，本文采用了两级负反馈结构。如图2(b)所示，第一级采用源级串联电感L2到地的方式提供反馈，该电感可以提高电路稳定性，提升增益平坦度，但是不可避免地引入了噪声。实际电路中用一段微带线来代替电感，以最小化反馈带来的负面影响。通过调节第一级放大器的输入匹配电路和源级负反馈，可以获得较低的噪声系数和良好的输入驻波。

第二级采用电容C2与电阻R1串联实现反馈，该反馈网络与两级级间匹配网络结合可以实现级间共轭匹配，与第二级输出匹配网络结合可以实现良好的输出功率特性。第二级的反馈网络能够改善增益平坦度和提高整个电路的工作带宽。

1.4 恒流源偏置

本文所采用增强型晶体管阈值电压离散性较大，因此需采用恒流源偏置来补偿工艺误差带来的离散性。与电阻偏置不同，如图3(a)所示，晶体管的偏置电压V1直接由两个分压电阻R3和R4得到:

(1)

电流Ids3如下：

(2)

式中：μn为电子迁移率；COX为单位面积的栅氧化层电容；Vth为阈值电压W为晶体管总栅宽；L为晶体管栅长。前三个参数只与工艺相关，而且Vth随工艺变化较为敏感；后两个参数表示晶体管尺寸。可以看出Ids3与阈值电压Vth成平方关系。

本文所采用恒流源偏置使用晶体管T2代替电阻R4，如图3(b)所示，由于T2栅漏相连所以晶体管工作在线性区，即：

(3)

(4)

(5)

T2的线性电阻为Ron[15]，当由于工艺偏差使得Vth升高时，Ron升高，因此V2也升高，这样就补偿了Vth升高带来的电流降低，使得漏极电流随工艺敏感性降低。另外，在T2栅极处加上旁路电容C3，使得V2在大信号下保持直流稳定，从而保证大信号下偏置电流变化不大。

图3 电阻偏置与恒流源偏置对比Fig.3 Comparison of resistor bias and constant current source bias

两种偏置的离散性对比如图4所示，从300次蒙特卡洛特性分析可以看出，采用本文所述恒流源偏置以后，漏极电流随工艺波动性大大降低，放大器的噪声、增益等参数也随工艺波动性大大降低。

图4 两种偏置电路的离散性对比Fig.4 Discreteness comparison of resistor bias and constant current source bias

1.5 三种类型MMIC电感

工艺库所提供MMIC电感有3种类型：圆电感、方电感和双层方电感。其中圆电感和方电感的金属都采用两层金属布线，单位长度走线损耗较小。双层方电感采用底层金属绕进、上层金属绕出的方式，由于布线金属为一层，因此单位长度走线损耗较大，且承受电流较小。

本文针对所需应用频率，对比了20 nH电感采用3种方式实现的面积和Q值。从图5所示对比结果可以看出，圆电感占用面积最大，为400 μm×400 μm，Q值也最大，在面积允许的前提下尽量使用圆形电感。双层方电感占用面积最小，在面积不足且承受电流要求不高的情况下，优先考虑。本文低噪放输入端电感Q值对噪声性能影响较大，因此选用圆电感。输出端面积紧张，且对电流承受能力要求较高，对损耗要求较低，因此选用方电感。

2 测试结果

该低噪声放大器采用0.25 μm栅长GaAs半导体工艺流片，芯片尺寸为2.0 mm×1.3 mm，实物照片如图6所示，输入输出为GSG(地-信号-地)射频接口，采用单电源5 V供电，实测电流为35 mA。

低噪声放大器MMIC实测与仿真结果对比如图7所示，在频率范围0.9～1.8 GHz以内，噪声系数实测结果为0.55 dB，比仿真恶化了0.15 dB。实测增益和反射结果如图8～10所示，增益为34 dB，增益平坦度小于0.5 dB，与仿真结果比较接近；实测输入反射系数小于-8 dB，输出反射系数小于-10 dB，与仿真结果比较接近。由于输入主要考虑噪声，因此输入驻波系数比输出驻波系数略高。从实测结果可以看出，该款低噪放芯片具有较低的噪声系数和较大的带宽。

图6 MMIC低噪声放大器照片Fig.6 Photograph of MMIC LNA

图7 低噪声放大器噪声系数结果Fig.7 Noise figure of the LNA

图8 低噪声放大器增益结果Fig.8 Gain of the LNA

图9 低噪声放大器输入反射系数结果Fig.9 Input return loss of the LNA

图10 低噪声放大器输出反射系数结果Fig.10 Output return loss of the LNA

3 结束语

为了提高卫星接收系统的灵敏度和卫星通信质量，本文通过电流复用、恒流源偏置等方法降低了星载接收机中低噪声放大器的尺寸和功耗，通过管芯尺寸、电感选择、两级负反馈等方法优化了其噪声系数和带宽性指标。测试结果表明，该款芯片具有0.55 dB的噪声系数和1个倍频程带宽。与传统星载低噪声放大器相比，该款MMIC芯片具有较小尺寸和优良的微波性能，更适合应用在航天微波系统中。低噪声放大器是星载接收机中的一个重要功能器件，然而随着未来微小卫星对小质量、低成本、灵活应用等更多要求，一款芯片应该包含更多的功能，这也是本文后续的研究方向。