何謨谞 ，胡鈞劍 ，高 博 ，賀良進

(1.成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，四川 成都 610090；2.四川大學 物理學院，四川 成都 610065)

0 引言

隨著無線通信的快速發(fā)展，低頻段已不能滿足應用需求，使用頻段逐漸向高頻段發(fā)展。在X～Ku 波段中，12 GHz 頻段被廣泛用于衛(wèi)星廣播業(yè)務和高清電視數字廣播通信系統，同時，12 GHz 頻段還有望被用于5G 通信服務[1-2]。除此之外，該頻段也被用于個人醫(yī)療健康檢測，從生物電信號中提取特征信息以實時監(jiān)測人體的健康狀況[3]。12 GHz 低噪聲放大器是該類應用研究中不可缺少的單元。

作為射頻前端的第一個有源電路，LNA 需要有高增益、低噪聲以及好的信噪比。在高頻段，LNA 的設計變得困難，各項性能指標難以同時達到更好，對高增益、低噪聲、高集成度等性能的放大器提出了更高的挑戰(zhàn)[4]。

目前報道的文獻中，大都采用多級級聯以提高放大器的增益，級間需要匹配增加了電路的復雜程度以及芯片面積。在文獻[5]中，使用了共源共柵結構和共源級設計LNA，實現了較高的峰值增益，但是，其使用了三級結構，而且工作頻率較低；文獻[6]中也使用了共源共柵結構設計LNA，可工作在較高的頻率下，由于使用的CMOS工藝在高頻下的局限性，無法實現較高的增益和較低的噪聲系數；文獻[7]中基于GaN 工藝設計的LNA 在X 波段下可實現較高的增益，但是噪聲系數和功耗很高；文獻[8]中采用級聯共源級實現的LNA，具有較低的功耗和噪聲，但是增益不是很高。

目前，已有MESFET、HEMT、GaAs pHEMT 等多種高性能低噪聲的半導體結構應用于放大器的設計。其中，GaAs pHEMT 晶體管，它在未摻雜GaAs 層和摻雜AlGaAs層中引入了InGaAs 薄層，這種特殊的結構可使電子聚集在InGaAs 層的半導體界面附近，由于兩側是高能帶材料，因此電子在聚集層中具有非常高的流動速度。這種結構器件具有高的飽和電子速度、輸出跨導、器件電流等，從而可獲得更高的增益和較低的噪聲系數，并且具有更好的頻率性能[9]。

本文的高增益低噪聲放大器基于0.25 μm GaAs pHEMT 的TGF2040 晶體管進行設計。該晶體管的工作頻率范圍覆蓋DC-20 GHz，在12 GHz 時有13 dB 的增益，并且在2 V、32 mA 的直流工作條件下最小噪聲系數為0.81 dB。設計中參考共源共柵結構提出一種兩級增益結構，在12 GHz 頻段實現了27 dB 以上的增益，同時兩級共用電流技術降低了電路功耗。

1 低噪聲放大器的設計

低噪聲放大器在設計過程中，需要考慮噪聲系數、增益、穩(wěn)定性等多種因素，提高電路穩(wěn)定性的同時會使增益降低。在反射系數ΓS的復平面上畫出所選器件的等噪聲系數圓和等增益圓，它們各自的最佳位置不一致，不能同時實現最小噪聲系數和最大功率增益，因此在進行設計時，需要對噪聲和功率進行折中設計。

1.1 電路結構

傳統的高增益設計中，兩級LNA 設計采用兩個共源級級聯構成，這種結構的一個重要特性是增益為兩個級聯結構的增益積，具有高增益，但功耗也增加。

本次設計的電路結構如圖1 所示，借鑒共源共柵結構，將共源級輸出通過電容耦合到共柵器件的輸入端，并采用電感串聯。通過改進后的結構形成了兩個共用電流的共源級級聯結構。射頻信號通過電容耦合沿實線路徑進行傳輸，電感設計阻止射頻信號，直流偏置電流流經虛線路徑為兩個晶體管所共用，達到節(jié)省功耗的目的。第一級晶體管的源端串聯負反饋電感L1，提高了電路的穩(wěn)定性，并且可以同時實現輸入端共軛匹配和最小噪聲匹配。第一級的柵-源之間并聯電容C1，用來匹配柵-源之間的寄生電容Cgs，調節(jié)最佳的輸入阻抗。級聯電感L2 改變了第一級放大器的輸出路徑，并作為第二級的源端負反饋，提高電路的穩(wěn)定性。電容C2 可以提高電路在高頻下的增益和帶寬。電容C3 作為交流電路中的參考地，影響交流通路中整個電路的穩(wěn)定性。

圖1 基本電路結構

1.2 穩(wěn)定性分析

放大電路的設計目標之一是電路的穩(wěn)定，以保證放大器能夠穩(wěn)定的在工作頻段內完成放大功能。提高電路穩(wěn)定性的方法之一是在源端串聯負反饋電感，適當地調節(jié)電感可使電路的最佳噪聲源反射匹配到共軛阻抗[10]。本設計采用源級退化電感增加電路的穩(wěn)定性。

放大電路是否穩(wěn)定常采用絕對穩(wěn)定系數K 來判斷，電路K 絕對穩(wěn)定的充分必要條件為：

通過CAD 軟件對電路進行穩(wěn)定性模擬仿真，結果如圖2 所示，在目標頻率范圍內，穩(wěn)定系數K 始終大于1，因此該電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 穩(wěn)定系數K 的曲線圖

1.3 匹配電路的設計與分析

電路的輸入端和輸出端均采用LC 階梯匹配網絡，拓撲如圖3 所示。該匹配網絡做電路匹配時有較小的Q值，在寬頻帶內可以同時獲得低噪聲系數和高輸出功率增益，實現良好的輸入輸出匹配[11]。

圖3 LC 階梯匹配網絡

電路的等噪聲系數圓和等增益圓如圖4 所示。電路輸入端為實現最小噪聲系數，輸入端阻抗定義為m1點的最小噪聲系數阻抗，并匹配到50 Ω；輸出端匹配按照增益最佳匹配進行設計。

圖4 等噪聲系數圓和等功率增益圓

通過合理地設計LC 階梯匹配網絡可實現電路的輸入輸出匹配。圖5 顯示了模擬的S11和S22在11.7～12.3 GHz內滿足Γ=0.316，即回波損耗優(yōu)于-10 dB，表明設計的LC 階梯匹配網絡實現了良好的輸入輸出匹配。

圖5 基于LC 階梯匹配網絡的S11 和S22 仿真結果(Γ 為反射系數)

1.4 電路性能分析

電容C1 并聯在第一級的柵-源之間，用來補償柵源的寄生電容Cgs，調節(jié)最佳的輸入匹配。通過對C1 進行變量分析，得到不同的電容值對S11的影響，如表1 所示，取C1 的值為0.35 pF 時，可得到S11＜-10 dB 的最大的帶寬為2 GHz。

表1 C1 對S11 參數的影響

級聯的電容C2 與電感L2 以不同的作用對電路的增益和回波損耗有影響。表2 和表3 分別為電容C2 和電感L2 對增益(在12 GHz 時)以及S11(S11＜-10 dB)和S22(S22＜-10 dB)的影響。隨著電容和電感從小到大的變化，增益先增大后減小，同時考慮S11和S22小于-10 dB 的帶寬，取C2=0.6 pF，L2=0.31 nH，可使電路在增益最大化的同時，輸入和輸出回波損耗都最佳。

表2 C2 對增益、S11、S22 參數的影響

表3 L2 對增益、S11、S22 參數的影響

2 電路仿真結果

整體電路結構如圖6 所示，器件的直流工作點選取為：Vds=2 V、Ids=32 mA。

圖6 整體電路結構圖

使用CAD 軟件進行參數仿真，仿真結果如圖7 所示，在12 GHz 放大器的增益達到27.299 dB，最小噪聲系數為0.889 dB，同時S11和S22都小于-10 dB，說明該電路在中心頻率為12 GHz 時有很好的匹配性，覆蓋范圍大概為11.7～12.3 GHz。

圖7 仿真結果

表4 展示了本次設計與同頻帶內的LNA 的比較。所設計的共電流型兩級級聯結構LNA 在12 GHz 的頻帶內具有最高的增益、最小的噪聲系數(NF)以及較小的功耗。盡管所設計的LNA 頻帶較窄，僅為600 MHz 左右，但是滿足12 GHz 中心頻帶的應用需求。

表4 不同文獻中設計的低噪聲放大器電路性能參數對比

3 結論

本文基于0.25 μm GaAs pHEMT 的TGF2040 器件，借鑒了共源共柵結構，通過改進形成共電流型兩級低噪聲高增益放大器。用LC 階梯網絡實現電路的輸入、輸出匹配，兩級結構中都引入源級負反饋增加了系統穩(wěn)定性。通過CAD 仿真，該放大器在12 GHz 時有27.299 dB的高增益，噪聲系數為0.889 dB，在11.7～12.3 GHz 的頻率范圍內，S11和S22均小于-10 dB，電路穩(wěn)定，具有良好的性能。