梁 棟，劉巍巍，韓 威，江肖力

（中電54所，石家莊050081）

Ku頻段小型化低噪聲放大器的設(shè)計(jì)*

梁 棟，劉巍巍，韓 威，江肖力*

（中電54所，石家莊050081）

設(shè)計(jì)制作了一款基于微組裝工藝的小型化低噪聲放大器（LNA）。該器件廣泛選用裸管芯、芯片電容等微型器件，采用兩級(jí)放大電路結(jié)構(gòu)，使用AWR與HFSS電磁仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化和仿真，運(yùn)用鍵合金絲微波特性進(jìn)行噪聲系數(shù)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)較好的低噪聲微波特性。最終實(shí)現(xiàn)了在12.25 GHz～12.75 GHz工作頻段，增益大于20 dB，噪聲系數(shù)小于1.2 dB的低噪聲放大器，整體電路尺寸僅為12 mm×10 mm×7 mm。

低噪聲放大器；小型化；鍵合金絲；微組裝；AWR；HFSS

當(dāng)前移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信更新?lián)Q代，日新月異，射頻接收前端技術(shù)在此背景下愈顯重要［1-2］。其中，作為接收前端重要部件的低噪聲放大器（LNA）的性能尤為重要。作為不可或缺的微波器件，其主要作用是放大接收天線輸出端的有效信號(hào)，并降低噪聲干擾。對(duì)于LNA來(lái)說(shuō)，追求超低噪聲系數(shù)，優(yōu)良的放大能力是永久的設(shè)計(jì)方向［3］，而在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)小型化，則是目前系統(tǒng)對(duì)器件的迫切需求。而LNA的高性能、小型化將直接推動(dòng)和優(yōu)化接收前端系統(tǒng)的整體性能與體積。本文將依托薄膜基板制造工藝，結(jié)合微組裝封裝工藝，進(jìn)行探索設(shè)計(jì)，旨在實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器的小型化。

1 LNA主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 噪聲系數(shù)FN

噪聲系數(shù)的定義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即：

式中，F(xiàn)N為微波部件的噪聲系數(shù)；Sin、Nin分別為輸入端的信號(hào)功率和噪聲功率；Sout、Nout分別為輸出端的信號(hào)功率和噪聲功率。

噪聲溫度是噪聲系數(shù)的另一種表達(dá)方式，相比于噪聲系數(shù)，噪聲溫度在噪聲超低區(qū)域差值較大，適合在某些噪聲系數(shù)要求非常高的系統(tǒng)作為衡量指標(biāo)，這部分噪聲功率表示公式如下：

式中：k為波爾茲曼常量1.38×10-23J/K；Te為有效溫度，單位為K；B為帶寬，單位為Hz。

噪聲系數(shù)的物理含義是：輸入信號(hào)通過(guò)放大器后，放大器噪聲的產(chǎn)生，使輸出信噪比變壞，輸入輸出信噪比的差別倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。

1.2 放大器增益G

放大器的增益定義為放大器輸出功率與輸入功率的比值：

一般來(lái)說(shuō)，LNA的增益確定應(yīng)與系統(tǒng)的整機(jī)噪聲系數(shù)、接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍等結(jié)合起來(lái)考慮［4］。

2 LNA電路設(shè)計(jì)

2.1 電路結(jié)構(gòu)

自給柵偏壓電路如圖1所示，在此FET的源級(jí)串聯(lián)一個(gè)電阻RS，當(dāng)漏極電流流過(guò)RS時(shí)，在它的兩端將產(chǎn)生壓降，而在輸入匹配網(wǎng)絡(luò)中，有柵極電感到地設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖2所示），以致柵極電壓為零，因此使VGS小于零，使得芯片工作在放大區(qū)，實(shí)現(xiàn)自給柵偏壓。同時(shí)，此電路也是一種直流負(fù)反饋電路，可以降低整個(gè)電路對(duì)晶體管自身性能變化的敏感度，提高晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性［5］。實(shí)現(xiàn)單電源供電，相比于正負(fù)壓?jiǎn)为?dú)供電，此電路結(jié)構(gòu)可有效減小供電電路面積，利于本放大器小型化設(shè)計(jì)。

圖1 自給柵偏壓電路

由多級(jí)放大電路構(gòu)成的放大器噪聲系數(shù)為：

式中：FN為整個(gè)放大器的噪聲系數(shù)，F(xiàn)N1、FN2、FN3分別是第1、2、3級(jí)的噪聲系數(shù)；G1、G2分別是第1、2級(jí)的增益［6］。從式（4）可知，第1級(jí)低噪聲放大電路的噪聲系數(shù)與增益對(duì)整個(gè)放大器的噪聲系數(shù)起著決定性作用，其噪聲系數(shù)越小，增益越大，整個(gè)電路的噪聲系數(shù)就越小。因此，第1級(jí)放大電路基本要按實(shí)現(xiàn)最佳噪聲系數(shù)設(shè)計(jì)，第2級(jí)放大電路主要起到增益放大的作用。本文設(shè)計(jì)也將遵循此原理，前級(jí)優(yōu)化噪聲系數(shù)并兼顧回波損耗，后級(jí)為最大增益設(shè)計(jì)，后級(jí)放大器增益比前級(jí)約高3 dB～4 dB。

圖2為本放大器的電路原理圖，放大器由A1和A2組成的兩級(jí)放大電路單元組成。

圖2 放大器原理圖

圖2中的A1和A2為裸管芯FHX13X，皆為GaAs Super HEMT場(chǎng)效應(yīng)管，低噪聲性能優(yōu)良，且可靠性與穩(wěn)定度高，其尺寸僅為0.45 mm×0.35 mm×0.1 mm，其推薦使用頻率為2 GHz～18 GHz，在12 GHz時(shí)，如圖3所示，其靜態(tài)工作點(diǎn)為VDS=2 V，Ids=10 mA時(shí)，F(xiàn)HX13X的噪聲系數(shù)優(yōu)于0.5 dB，增益在12 dB以上。

圖3 管芯靜態(tài)工作點(diǎn)參數(shù)

圖3中，V1為78M05穩(wěn)壓裸芯片，圖中所有電阻均采用薄膜電阻，電容均采用高性能的單層電容，高頻電感則利用鍵合金絲進(jìn)行等效替代，大大實(shí)現(xiàn)電路小型化。

2.2 鍵合金絲電路模型

圖4、圖5分別是鍵合金絲的拓?fù)鋱D與等效電路圖。從鍵合金絲的等效電路來(lái)看，可看成是串聯(lián)電感和并聯(lián)到地電容的分布參數(shù)組合［7］。在高頻頻段，鍵合金絲的分布參數(shù)效應(yīng)愈趨于明顯，特別是其電感值隨著鍵合金絲的長(zhǎng)度變化明顯。

圖6為直徑25μm，拱高為0.2 mm，跨長(zhǎng)為0.5 mm的單根鍵合金絲在HFSS中的三維仿真模型，其波端口激勵(lì)已嵌入至鍵合線根部，以便排除兩端微帶線帶來(lái)的參數(shù)干擾。圖7為計(jì)算得到的待測(cè)金絲等效電感值與品質(zhì)因數(shù)，從中可見(jiàn)其感值隨著頻率的提高而變大，因此可將其等效為高頻電感使用，完成匹配與調(diào)試工作，同時(shí)鍵合金絲本身在Ku段品質(zhì)因數(shù)很高，因此在輸入端引入的損耗很小，利于低噪聲放大設(shè)計(jì)。

圖4 鍵合金絲拓?fù)鋱D

圖5 鍵合金絲等效電路圖

圖6 鍵合金絲HFSS仿真模型

圖7 鍵合金絲等效參數(shù)曲線

2.3 穩(wěn)定性分析

實(shí)際中微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管都存在內(nèi)部反饋，微波管的S12就表示內(nèi)部反饋量，它是電壓波的反向傳輸系數(shù)，S12越大，內(nèi)部反饋越強(qiáng)，反饋量達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)引起放大器穩(wěn)定性變壞，甚至產(chǎn)生自激震蕩［8］。微波放大器的穩(wěn)定性判斷條件如下：

式中：D=S11S22-S12S21。當(dāng)K＞1時(shí)，放大器處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，放大器管芯的源極與地之間串聯(lián)RLC電路構(gòu)成直流負(fù)反饋，可提高放大器的穩(wěn)定性，有效防止電路自激。

2.4 電路仿真設(shè)計(jì)

AWR為微波設(shè)計(jì)常用的電磁仿真軟件，可方便建立電路級(jí)模型，展開(kāi)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行參數(shù)調(diào)整優(yōu)化，得到較優(yōu)的噪聲系數(shù)，增益等參數(shù)的仿真結(jié)果。

本電路基板采用ε=9.8，厚度為0.381 mm的氧化鋁陶瓷基片，濺射金層厚度為4μm。通過(guò)不斷仿真優(yōu)化，輸入采用圖2中的L1（并聯(lián)到地電感）、L2（串聯(lián)電感）組合，輸出采用微帶L型枝節(jié)匹配，可以得到較好的輸入輸出阻抗匹配。級(jí)間保持較短微帶線連接，即能得到最大增益設(shè)計(jì)。同時(shí)，仿真設(shè)計(jì)帶寬大于實(shí)際使用帶寬，用于補(bǔ)償仿真計(jì)算與實(shí)際微組裝過(guò)程中引入的頻率偏移。

圖8 放大器AWR仿真模型

從仿真優(yōu)化過(guò)程中可以得出，在輸入處的金絲鍵合線L1、L2的長(zhǎng)度對(duì)放大器的噪聲系數(shù)與輸入駐波影響大，參數(shù)調(diào)節(jié)可以看出，L2對(duì)噪聲系數(shù)影響較大，而L1則同時(shí)影響噪聲系數(shù)與輸入駐波。在L1長(zhǎng)度為0.9 mm，L2長(zhǎng)度為0.3 mm時(shí)，其噪聲系數(shù)，駐波比仿真最優(yōu)。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，各指標(biāo)仿真結(jié)果如圖9～圖12所示。

圖9 放大器FN仿真曲線

圖10 放大器S21仿真曲線

圖11 放大器S11、S22仿真曲線

圖12 放大器穩(wěn)定系數(shù)K值仿真曲線

3 電路組裝

本電路為典型的基于薄膜工藝的混合集成電路，所有芯片均采用裸芯片，所有元器件及薄膜陶瓷基片都使用導(dǎo)電膠將其粘接在鍍金盒體中，其電路有效面積尺寸為8 mm×6 mm，除去K連接器外形尺寸為12 mm×10 mm×7 mm，如圖13所示。與傳統(tǒng)封裝LNA相比，如國(guó)內(nèi)巨田微波的JTLA系列相比，性能指標(biāo)相當(dāng)（如表1所述），而尺寸面積可減小10倍以上，小型化成果顯著。

圖13 放大器實(shí)物圖

4 電路調(diào)試及測(cè)試

LNA微組裝完成后，進(jìn)行電路調(diào)試，校正二維仿真及微組裝過(guò)程帶來(lái)的差異性。主要手段采用金絲鍵合進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)與匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試，配合設(shè)計(jì)過(guò)程中所預(yù)留調(diào)試手段（薄膜電阻阻值分階梯設(shè)計(jì)，匹配網(wǎng)絡(luò)調(diào)試小島，金絲鍵合長(zhǎng)短等），實(shí)現(xiàn)狹小空間里的靈活調(diào)試，特別是鍵合金絲線L1的根數(shù)與長(zhǎng)度，對(duì)噪聲系數(shù)與輸入駐波比有較大影響。發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，鍵合金絲L1感值越大（即并排到地的鍵合金絲根數(shù)越少，長(zhǎng)度越長(zhǎng)），噪聲系數(shù)越好，而輸入駐波越差。通過(guò)調(diào)試，在L1為兩根，長(zhǎng)度約為2 mm時(shí)，得到一個(gè)噪聲系數(shù)與駐波比相對(duì)均衡的結(jié)果。

采用噪聲系數(shù)分析儀Agilent N8975A對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了測(cè)試，噪聲源為346 A，在12 GHz的ENR為4.97 dB。實(shí)測(cè)結(jié)果如圖14所示，從圖中可以看出在12.25～12.75 GHz頻段內(nèi)噪聲系數(shù)小于1.2 dB。

圖14 放大器FN實(shí)測(cè)曲線

而與圖9相比，實(shí)際比仿真惡化0.5 dB，分析原因首先是來(lái)自仿真誤差，采用AWR進(jìn)行了理想電路級(jí)仿真，實(shí)際器件與理論模型的偏差會(huì)引入一定的不確定性；再者測(cè)試時(shí)K連接器、波珠以及與微帶線的粘接裝配都會(huì)引入額外損耗。具體而言，K連接器與波珠噪聲貢獻(xiàn)約為0.2 dB～0.3 dB；第一級(jí)放大器噪聲系數(shù)約為0.8 dB，其中自偏置電阻R3帶來(lái)0.1 dB～0.2 dB的噪聲；第2級(jí)放大器噪聲系數(shù)約為1.2 dB。

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀R&S ZVA50對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖15所示，從圖中可以看出，在使用頻段，放大器增益大于22 dB，帶內(nèi)平坦度優(yōu)于1 dB，駐波比優(yōu)于2∶1。測(cè)試以上數(shù)據(jù)時(shí)，低噪聲放大器工作電壓為+8 V，工作電流為40 mA。

圖15 放大器S參數(shù)實(shí)測(cè)曲線

表1為本產(chǎn)品與國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品的性能比較，可見(jiàn)本產(chǎn)品的性能指標(biāo)已達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)，但與國(guó)外成熟產(chǎn)品還有一定的距離，將是下一步努力的方向與目標(biāo)。

表1 本產(chǎn)品與國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品比較

5 結(jié)論

基于薄膜制造工藝與微組裝封裝工藝，本文圍繞裸管芯進(jìn)行AWR電磁仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，并探究了鍵合金絲的微波特性。通過(guò)金絲鍵合匹配調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)了一款在12.25～12.75 GHz頻段，噪聲系數(shù)為1.2 dB，整體電路尺寸僅為12 mm×10 mm×7 mm的低噪聲放大器。通過(guò)此類(lèi)LNA設(shè)計(jì)的探索，即廣泛使用裸芯片，采用鍵合互聯(lián)，并將鍵合金絲用于匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，可大大提高調(diào)試靈活度，有力實(shí)現(xiàn)器件小型化，同時(shí)對(duì)衛(wèi)星通信，電子對(duì)抗等整機(jī)接收設(shè)備小型化也有很好的推動(dòng)與促進(jìn)作用。

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梁 棟（1986-），男，漢族，山東泰安人，工程師，射頻與微波專(zhuān)業(yè)，工作單位：中電54所，主要研究微波器件與電路及其小型化，dongl-1986@163.com；

江肖力（1964-），研究員級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)任中電54所微組裝中心主任，主要從事于衛(wèi)星通信微波技術(shù)與微組裝技術(shù)設(shè)計(jì)與研究。

Design of a Compact Ku Band Low Noise Amplifier*

LIANG Dong，LIU Weiwei，HAN Wei，JIANG Xiaoli*
（CECT54，Shijiazhuang 050081，China）

A compact and low noise amplifier（LNA）was designed and fabricated by using the micro-assembly pro?cess.Micro components were widely selected such as dies，chip capacitors and others.Based on a two stage structure，the circuit EMdesign，optimization and analysis were realized in AWR and HFSS.The bonding wire based on microassembly adjustment method was used to achieve a low noise performance.The fabricated LNA was under a working range from 12.25 GHz to 12.75 GHz，with an associated gain of 20 dB and noise figure as low as 1.2 dB.The final product size was only 12 mm×10 mm×7 mm.

LNA；downsized；bonding wire；micro assembly；AWR；HFSS

TP722.3

A

1005-9490（2016）06-1364-05

1220

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.017

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61404119）

2015-12-04 修改日期：2016-03-25