博微太赫茲信息科技有限公司 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 武 帥 高炳西 馮 輝

引言

低噪聲放大器一般位于接收機(jī)或輻射計(jì)的前端，主要用于放大微弱的接收信號(hào)，根據(jù)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)噪聲系數(shù)分析方法，其性能直接影響系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)及靈敏度，對(duì)于降低接收前端系統(tǒng)噪聲干擾，提高整體性能起著至關(guān)重要的作用。因此，低噪聲放大器一直是雷達(dá)、通信和電子對(duì)抗等系統(tǒng)中的關(guān)鍵微波部件，有著廣泛的軍用和民用價(jià)值。

隨著通訊、航天、空間技術(shù)的發(fā)展，電磁波譜資源越來(lái)越擁擠，國(guó)際社會(huì)加大了高頻率段電磁波譜的開(kāi)發(fā)力度，毫米波、亞毫米波芯片與器件逐漸成熟。國(guó)內(nèi)外已有很多關(guān)于毫米波低噪聲放大器芯片的報(bào)道，采用的工藝技術(shù)有GaAs HEMTs[1][2]、InP HEMTs[3][4]等。其中, InP HEMTs具有高增益、高電流截止頻率、低噪聲以及低直流功耗等優(yōu)點(diǎn)。目前，在W波段具有代表性的商用低噪聲放大器芯片有（1）法國(guó)OMMIC公司的型號(hào)為CGY2190UH/C2的寬帶低噪聲放大器芯片。該芯片采用70nm MHEMT工藝技術(shù)，由4級(jí)級(jí)聯(lián)放大器組成，工作頻率75～110GHz，噪聲系數(shù)典型值2.8dB，帶內(nèi)增益典型值23dB。（2）美國(guó)Northrop Grumman公司型號(hào)為ALP283的低噪聲放大器芯片，該芯片采用0.1um InP HEMT工藝技術(shù)，工作頻率80～100GHz，由5級(jí)放大器組成，噪聲系數(shù)典型值2.5dB、噪聲系數(shù)平均值2.1dB，帶內(nèi)增益典型值29dB。（3）瑞典Gotmic公司型號(hào)為gANZ0017A低噪聲放大器芯片，工作頻率75～110GHz，噪聲系數(shù)典型值5dB，增益系數(shù)典型值17dB。（4）中國(guó)電子科技集團(tuán)第13所型號(hào)為M3N1605的低噪聲放大器芯片，工作頻率75～110GHz，噪聲系數(shù)典型值3.0dB，增益系數(shù)典型值20dB。

本文將介紹一款基于OMMIC公司型號(hào)為CGY2190UH/C2芯片的寬帶低噪聲放大器模塊的設(shè)計(jì)。

1.總體設(shè)計(jì)

本文闡述的W波段低噪聲放大器總體設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

工作頻率范圍：75～110GHz

帶內(nèi)增益：>20dB

噪聲系數(shù)：3.0dB（典型值）

輸入輸出接口：WR10·UG/387-M

電源輸入：DC+5V

低噪聲放大器的輸入輸出接口為標(biāo)準(zhǔn)的WR10波導(dǎo)接口，需要將波導(dǎo)的TE10模轉(zhuǎn)換成適合平面微波電路傳輸方式，以滿(mǎn)足低噪聲放大器單片的設(shè)計(jì)需要。輸入電源為DC+5V，而低噪聲放大器單片柵極電壓為0～-0.1V，漏極電壓為+1～+1.2V，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的偏置電路。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，低噪聲放大器總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 低噪聲放大器總體設(shè)計(jì)方案

2.波導(dǎo)-微帶變換器設(shè)計(jì)

波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換過(guò)渡器是將波導(dǎo)傳播的TE10模式轉(zhuǎn)換成適合平面微波集成電路傳輸模式，解決波導(dǎo)電路與平面微波電路間合理連接和阻抗匹配問(wèn)題，保證系統(tǒng)的最佳工作性能。目前，根據(jù)平面微波集成電路形式，廣泛應(yīng)用于100GHz左右的波導(dǎo)過(guò)渡器主要有波導(dǎo)-微帶過(guò)渡器、波導(dǎo)-鰭線過(guò)渡器、波導(dǎo)-懸置微帶線過(guò)渡器以及波導(dǎo)-介質(zhì)波導(dǎo)過(guò)渡器等形式。其中，波導(dǎo)-微帶過(guò)渡器存在兩種形式：[5]（1）脊波導(dǎo)變換器，它是利用多級(jí)1/4階梯脊波導(dǎo)阻抗變換器完成從波導(dǎo)阻抗到微帶線特性阻抗匹配。在頻率較高時(shí)，加工制造與裝配難度高，不易于實(shí)現(xiàn)。（2）波導(dǎo)-微帶探針變換器：波導(dǎo)-微帶探針是在波導(dǎo)的寬邊或窄邊中心插入波導(dǎo)腔內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)微帶探針寬度與位置來(lái)調(diào)節(jié)微帶探針匹配系數(shù)及特性阻抗。

根據(jù)低噪聲放大器單片射頻輸入輸出結(jié)構(gòu)形式與機(jī)械制造與裝配工藝水平，我們采用E面波導(dǎo)-微帶探針變換器（從波導(dǎo)寬邊中心插入，探針平面方向平行于波導(dǎo)傳輸方向），作為波導(dǎo)到微帶轉(zhuǎn)換。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 E面波導(dǎo)-微帶探針變換器結(jié)構(gòu)

波導(dǎo)探針基板采用容熔態(tài)SiO2，為減小微帶與芯片互聯(lián)時(shí)由高度差引起的插入損耗與駐波惡化，基板厚度與低噪聲放大器芯片厚度保持一致為0.1mm。表層采用濺射厚度>2um純金層，同時(shí)滿(mǎn)足微波傳輸與金絲鍵合的要求。為了抑制轉(zhuǎn)換過(guò)程中高次模傳輸，波導(dǎo)探針上部開(kāi)口高度0.26mm；通過(guò)高阻抗傳輸線來(lái)抵消波導(dǎo)E面開(kāi)口寄生電感，同時(shí)起到阻抗變換與拓展帶寬的目的。根據(jù)低噪聲放大器芯片輸入阻抗要求，探針輸出阻抗為50ohm。為了方便探針焊接對(duì)位精度，設(shè)計(jì)中將高阻抗線的起始邊沿與波導(dǎo)邊沿重合。

圖3 波導(dǎo)-微帶變換器

為測(cè)試波導(dǎo)-微帶變換器傳輸特性，我們?cè)O(shè)計(jì)了“背靠背”式兩只完全一致的波導(dǎo)-微帶變換器，其仿真模型與測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

從測(cè)試結(jié)果上看，“背靠背”式波導(dǎo)-微帶變換器在75～110GHz范圍內(nèi)插入損耗約為0.3～0.55dB，較仿真結(jié)果高約0.25dB，這主要是由于波導(dǎo)連接的不連續(xù)性和剖分的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)造成的插入損耗。全頻帶范圍內(nèi)單只波導(dǎo)-微帶變換器的插入損耗（S21）<0.28dB，基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.W波段低噪聲放大器模塊設(shè)計(jì)與測(cè)試

有源微波電路需要給芯片提供合適的工作電壓，為了避免射頻信號(hào)對(duì)直流偏置電路的干擾與影響，采取射頻與直流分腔處理的方式。

本文中闡述的低噪聲放大器柵極電壓為0～-0.1V，漏極電壓為+1～+1.2V，在直流腔內(nèi)通過(guò)線性電源穩(wěn)壓芯片將輸入的DC+5V電壓轉(zhuǎn)換到需要的電壓值，再通過(guò)穿心低通濾波器穿入射頻腔，通過(guò)并聯(lián)的400pF、100pF芯片電容給低噪放的各級(jí)供電，并采用柵極與漏極分兩側(cè)供電的方式；穿心低通濾波器的作用主要是用于增加射頻腔與直流腔的隔離度，芯片電容主要作用為濾除直流電壓紋波并去耦合泄露射頻的射頻。設(shè)計(jì)模型如圖4所示。

圖4 W波段寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)模型

由于低噪聲放大器芯片采用無(wú)封裝的“裸片”形式，當(dāng)“裸片”被封裝在金屬腔體內(nèi)部后，由于其工作波長(zhǎng)與金屬腔體的特征長(zhǎng)度相當(dāng)，腔體的諧振頻率會(huì)與組件的工作頻率重合，腔體內(nèi)部容易產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，進(jìn)而影響組件的正常工作。所以低噪聲放大器模塊設(shè)計(jì)需要分析腔體的諧振特性，對(duì)保證組件的穩(wěn)定工作具有非常重要的指導(dǎo)意義。工程上較常見(jiàn)的方法是通過(guò)合理設(shè)計(jì)腔體尺寸、在腔體內(nèi)壁面粘貼或涂抹吸波材料等方法消除組件內(nèi)的腔體效應(yīng)?？梢酝ㄟ^(guò)HFSS仿真S參數(shù)計(jì)算方法與本征模求解方法分析低噪聲放大器的腔體效應(yīng)。通過(guò)合理腔體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效抑制了工作頻帶范圍內(nèi)腔體的低次模產(chǎn)生，65～120GHz范圍內(nèi)腔體的最低階模數(shù)為（2,0,2），屬于高階模式，其主模諧振頻率不在低噪聲放大器的工作頻率范圍，可認(rèn)為該腔體狀態(tài)下不存在對(duì)組件工作穩(wěn)定性造成影響的腔體效應(yīng)。圖5為設(shè)計(jì)的低噪聲放大器模塊內(nèi)部低階模（2,0,2）電場(chǎng)強(qiáng)度分布。

圖5 腔體內(nèi)低階模（2,0,2）電場(chǎng)強(qiáng)度分布

采用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所生產(chǎn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析AV3672D及其擴(kuò)頻模塊AV3640A測(cè)試了模塊的增益系數(shù)，其測(cè)試結(jié)果如圖6所示。全頻帶增益系數(shù)～20dB,高頻段（>100GHz）相對(duì)設(shè)計(jì)略低，初步分析者這主要是高頻部分受金絲互聯(lián)及波導(dǎo)微帶變換器插入損耗及駐波比較差導(dǎo)致的。全頻帶范圍內(nèi)與在片測(cè)試結(jié)果基本一致。

圖6 低噪聲放大器模塊增益系數(shù)測(cè)試結(jié)果

采用噪聲分析儀3986E及其相應(yīng)的擴(kuò)頻模塊AV82411L（75-88GHz）；AV82411N(86.5-100GHz)測(cè)試其噪聲系數(shù)，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。受噪聲分析儀測(cè)量范圍限制，只進(jìn)行了75～100GHz噪聲系數(shù)測(cè)試；全頻帶噪聲系數(shù)～3.0dB，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖7 低噪聲放大器模塊噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果

4.結(jié)論

本文介紹了一種利用OMMIC公司的型號(hào)為CGY2190UH/C2的寬帶低噪聲放大器芯片設(shè)計(jì)的W波段寬帶低噪聲放大器模塊。通過(guò)優(yōu)化波導(dǎo)微帶變換器插入損耗，分析其內(nèi)部腔體效應(yīng)，保證了低噪聲放大器模塊的穩(wěn)定工作。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，研制出的低噪聲放大器模塊符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，帶內(nèi)噪聲系數(shù)優(yōu)于3.0dB，增益>20dB，有效工作帶寬75～110GHz，性能較好，可廣泛適用于通信、人體安檢等應(yīng)用領(lǐng)域。

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[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]鄭國(guó)寶,盛奕建,等.毫米波儀器的頻率擴(kuò)展技術(shù)[C].中國(guó)微波毫米波測(cè)試技術(shù)論文集,PP 190～194.