Ku波段 GaN 單片低噪聲放大器的研制

劉 昊，彭龍新，牛 超，凌志健

（南京電子器件研究所，南京 210016）

Ku波段 GaN 單片低噪聲放大器的研制

劉 昊，彭龍新，牛 超，凌志健

（南京電子器件研究所，南京 210016）

研制了一款 Ku 波段 GaN 單片低噪聲放大器，該放大器采用了 GaN 0.25 μm Ku 功率工藝，工作電壓為 10 V。在 12～18 GHz 頻帶內(nèi)，噪聲 NF≤2.9 dB，增益 G≥20 dB，輸入駐波比 VSWR1≤1.8，輸出駐波比 VSWR2≤1.5。該芯片在 16 GHz 下，承受 38 dBm 的大功率輸入脈沖 （周期為 1 ms，占空比為 10%） 10 min，經(jīng)測試未發(fā)現(xiàn)低噪聲放大器芯片燒毀的現(xiàn)象。

低噪聲放大器；耐功率；GaN；單片

1 引言

低噪聲放大器廣泛應(yīng)用于通信、微波測量、雷達(dá)等接收系統(tǒng)中，作為接收系統(tǒng)的第一級，對整個接收系統(tǒng)起到重要作用。GaAs低噪聲放大器承受功率有限，一般不超過 20 dBm[1]，T/R 組件需要在低噪聲放大器前端增加限幅器，這就增加了額外的噪聲、體積和成本，而 GaNHEMT 可以承受很大的輸入功率，在耐功率要求不高的情況下可以省去限幅器，會得到更好的低噪聲性能。近幾年介紹 GaN 低噪聲放大器的文章中，其可承受輸入連續(xù)波功率的有 31 dBm、33 dBm、36 dBm、37 dBm，脈沖輸入則可以達(dá)到 46 dBm[1～5]，所以對 GaN LNA 的研究很有意義。

本文采用 0.25 μm GaN Ku 功率工藝研制了一款12～18 GHz的低噪聲放大器，主要設(shè)計(jì)指標(biāo)為：噪聲系數(shù) NF≤3 dB，增益 G≥20 dB，增益平坦度為±1 dB，輸入駐波比 VSWR1≤2.0，輸出駐波比 VSWR2≤1.8。輸入38 dBm 的脈沖信號（16 GHz 下周期為 1 ms，占空比為10%），耐功率 10 min 后，經(jīng)測試未發(fā)現(xiàn)低噪聲放大器芯片燒毀的現(xiàn)象。

2 低噪放的設(shè)計(jì)

2.1 放大器結(jié)構(gòu)的選擇

低噪聲放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有電抗匹配式、反饋式、分布式、平衡式等，各種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)點(diǎn)。

此次采用的是負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。引入負(fù)反饋結(jié)構(gòu)可以改善放大器的增益平坦度、晶體管的穩(wěn)定性和輸入輸出匹配，為放大器提供更寬的頻帶，并在一定程度上降低對工藝的敏感度。

偏置電阻可以使電路的第一級增加一定的承受功率能力，三級放大器均采用自偏置結(jié)構(gòu)。級聯(lián)結(jié)構(gòu)的噪聲系數(shù)為：

其中 Fi表示的是第 i級的噪聲系數(shù)，Gi表示第 i級的增益。式（1）中放大器的噪聲主要由第一級決定，所以第一級最小噪聲電抗匹配，增益盡可能高；后兩級采用并聯(lián)的負(fù)反饋，設(shè)計(jì)成正斜率增益，以補(bǔ)償前級的負(fù)斜率增益。

2.2 GaN HEMT 工作狀態(tài)的選擇

該 放 大 器 三 級 均 使 用 4 μm ×50 μm 的 GaN HEMT，為了使放大器性能達(dá)到最佳，對管芯的微波特性進(jìn)行測試分析，確定其最佳靜態(tài)工作點(diǎn)。測得在16GHz下，柵極電壓為-1.8 V 時，不同漏極電壓下的最小噪聲系數(shù)和相關(guān)增益如表1 所示。在漏極電壓為 9 V 時，其最小噪聲系數(shù)為 0.99 dB。從表1 中還可以看出，在柵壓為-1.8 V 時，漏極電壓對噪聲和增益影響不大。在這個條件下，低噪聲放大器正常工作，具有良好的噪聲系數(shù)和增益。

表1 GaN HEMT 在不 同漏壓下的噪聲 系數(shù)和相 關(guān)增益（16 GHz，Vgs=-1.8 V）

2.3 低噪聲放大器的仿真設(shè)計(jì)

低噪聲放大器的第一級使用最小噪聲系數(shù)匹配技術(shù)[6]，后兩級采用負(fù)反饋技術(shù)。

對于第一級放大器，輸入端要進(jìn)行噪聲匹配，根據(jù)式（1）可知，第一級放大器的增益對整個放大器的噪聲產(chǎn)生較大的影響，所以需要在增益和噪聲性能上進(jìn)行折中設(shè)計(jì)。

如圖1 所示，X 曲線是 GaN HEMT 在漏極電壓為9 V、柵極電壓為-1.8 V 時 12～18 GHz 范圍內(nèi)最佳噪聲反射系數(shù) Γopt；Y 曲線是在 HEMT 管加入自偏置反饋網(wǎng)絡(luò)后，在頻帶內(nèi)的最佳噪聲反射系數(shù)。輸入匹配按照 Y 曲線進(jìn)行匹配，但是需要對輸入駐波比、電路穩(wěn)定性和增益性能進(jìn)行折中。圖2 是 GaN HEMT 源極增加了自偏置結(jié)構(gòu)，在 14 GHz 時 Smith 圓圖上的等噪聲圓和等增益圓。m2 點(diǎn)是最佳增益點(diǎn)，為 12.93 dB， m3 點(diǎn)是最小噪聲點(diǎn)，最小噪聲系數(shù)為 0.96 dB。

圖1 12～18 GHz 下 GaN HEMT（X）、管芯加入自偏置網(wǎng)絡(luò)（Y）的 Γopt

圖2 14 GHz下的 HEMT 加源極自偏網(wǎng)絡(luò)的等增益圓和等噪聲圓

在放大器的設(shè)計(jì)過程中，需要對噪聲、增益的阻抗匹配之間采取折中的方式，對于低噪聲放大器的第一級，要選取一個更靠近最小噪聲匹配的輸入阻抗，但是也要考慮到增益對整體噪聲系數(shù)的影響。在 15 GHz的頻率點(diǎn)，將噪聲系數(shù) NF 調(diào)整到 1.25 dB，增益 G 調(diào)整到 6.6 dB，輸入駐波調(diào)整到 1.6。如圖3 所示是第一級放大器在整個頻帶內(nèi)的增益和噪聲系數(shù)，可以看出其噪聲系數(shù)小于 1.9 dB，增益大于 5 dB，其增益平坦度很差，呈負(fù)斜率狀態(tài)，需要后兩級放大器對其進(jìn)行調(diào)整。

圖3 第一級放大器的增益和噪聲系數(shù)

第一級放大器的設(shè)計(jì)中得到了較低的噪聲系數(shù)和較高的增益，放大器后兩級采用并聯(lián)負(fù)反饋的結(jié)構(gòu)，形成正斜率增益，來補(bǔ)償?shù)谝患壴鲆娴呢?fù)斜率，同時也增加放大器的增益。

如圖4所示為三級低噪聲放大器的電路拓?fù)鋱D。調(diào)整圖中的后兩級負(fù)反饋?zhàn)杩?Rf1、Rf2可以改善整個放大器增益平坦度，使得增益向正斜率方向傾斜，平衡第一級的負(fù)斜率增益。圖中的 Rd1是第一級放大器漏極與外接電源之間的小電阻，主要可以增加放大器的穩(wěn)定性，防止低頻端自激的產(chǎn)生。在第一級放大器柵極接地電感上的串聯(lián) RC，也可以防止放大器低頻自激的產(chǎn)生。三級的級間匹配和輸出端匹配均采用了電容電感的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

圖4 三級放大器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過 ADS 進(jìn)行版圖仿真，結(jié)果如圖5 所示，設(shè)計(jì)的放大器增益在 23～24 dBm 之間，具有較好的平坦度，噪聲小于 2.5 dB，輸入駐波比 VSWR1≤2，輸出駐波比 VSWR2≤1.8，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 三級低噪聲放大器的仿真結(jié)果

上面設(shè)計(jì)的是采用 0.25 μm 功率 GaN HEMT 的工藝，如果采用低噪聲材料和低噪聲工藝，能夠降低放大器的噪聲系數(shù)。由 Fukui噪聲模型推導(dǎo)出[7]：

式中，Ids為漏極電流，Lg為器件柵長，vsat為溝道中的載流子飽和速度，Ec為載流子速度飽和時對應(yīng)的臨界電場，Rs和 Rg分別為源極和柵極的寄生電阻。

從式（2）中可以看出，縮短柵源、柵漏間距，可以減小柵、源的寄生電阻 Rs和 Rg，從而降低 GaN HEMT 的噪聲系數(shù)。選用合適的柵金屬和增加?xùn)藕穸瓤梢越档蜄艠O寄生電阻。柵長 Lg從 0.25 μm 縮短到 0.15 μm，則管芯噪聲系數(shù)將降低 20%以上。

3 GaN 低噪聲放大器的測試結(jié)果和分析

3.1 低噪放性能測試結(jié)果

一款基于 0.25 μm 的 GaNHEMT 單片低噪聲放大器，經(jīng)過調(diào)試后，外加 10 V 的電壓。如圖6 所示，在工作范圍 12～18 GHz 內(nèi)，噪聲系數(shù) NF≤2.9 dB，增益G≥20 dB，輸入駐波比 VSWR1≤1.8，輸 出 駐 波比VSWR2≤1.5。

圖6 LNA的小信號性能參數(shù)

圖7 顯示低噪聲放大器輸出 1 dB 功率，在頻帶范圍內(nèi)基本穩(wěn)定在 17 dBm 以上。

3.2 可承受功率的測試結(jié)果

對低噪聲放大器進(jìn)行了耐功率測試，采用 16 GHz下周期為 1 ms、占空比為 10%的脈沖輸入信號，輸入功率從 30 dBm 到 39 dBm，每次遞增 1 dBm，在每個功率下進(jìn)行 10 min 耐功率測試，在測試過程中發(fā)現(xiàn)低噪聲放大器始終處在外加 10 V工作電壓的狀態(tài)下。圖8（a）中可以看出隨著輸入信號功率的不斷增大，輸出功率是逐漸變小的。圖8（b）中的 Id1表示靜態(tài)工作電流，Id2表示輸入功率后的工作電流，隨著輸入功率增大，放大器耐功率時的工作電流會逐漸減小。

圖7 低噪聲放大器的1 dB壓縮電平

圖8 16 GHz、周期 1 ms占空比 10%的脈沖信號下輸入、輸出功率之間的關(guān)系和輸入功率前后工作電流變化量

圖9 是耐 38 dBm（其他條件同上）前后的噪聲系數(shù)和增益的對比圖，其中增益下降在 1 dB 以內(nèi)，而噪聲變大在 0.7 dB 以內(nèi)（14 GHz）。增益和噪聲系數(shù)發(fā)生一定變化，是因?yàn)閷Φ驮肼暦糯笃鬟M(jìn)行耐功率時，第一級 HEMT 的柵極會產(chǎn)生一個流入管芯的電流，這個電流會使第一級的 HEMT 加快老化，從而導(dǎo)致放大器性能短時間內(nèi)就發(fā)生一些變化。

圖9 低噪放承受 38 dBm 前（a）后（b）的噪聲系數(shù)和增益對比

4 結(jié)論

基于 0.25 μm GaN Ku 功率 HEMT 工藝，研制了一款低噪聲放大器，在 12～18 GHz 條件下，噪聲系數(shù)NF≤2.9 dB，具有 20 dB 的增益，并且還進(jìn)行了良好的輸入輸出匹配。

該放大器具有較好的耐功率特性，可以承受16GHz、38 dBm 的 1 ms 周期 10%占空比的脈沖信號 10 min的沖擊，使得 GaN 低噪聲放大器在一些條件下可以省去前端的限幅器，降低了系統(tǒng)的噪聲。

[1]Matthias Rudolph,Reza Behtash,Ralf Doerner,Klaus Hirche,Joachim Würfl,Wolfgang Heinrich,and Günther Tr?nkle.Analysis of the Survivability of GaN Low-Noise Amplifiers[J].IEEE Micro.2007(55):37-43.

[2]H Xu,C Sanabria,A Chini,St Keller,U K Mishra,and R A York,A C-band high-dynamic range GaN HEMT low-noise amplifier[J].IEEE Micro.Wireless Compon.Lett,2004(14): 262-264.

[3]D Krausse,R Quay,R Kiefer,A Tessmann,H Massler,A Leuther,T Merkle,S Muller,C Schworer,M Mikulla,M Schlechtweg,G Weimann.Robust GaN HEMT low-noise amplifier MMICs for X-band applications[C].Eur.GalliumArsenide and Other Semiconduct.Applicat.Symp,2004: 71-74.

[4]J C De Jaeger,S L Delage,G Dambrine,M A Di,F Poisson, V Hoel,S Lepilliet,B Grimbert,E Morvan,Y Mancuso,G Gauthier,A Lefrancois,Y Cordier.Noise assessment of AlGaN/GaN HEMTs on Sior SiC substrates:Application to X-band low noise amplifiers[C].Eur.Gallium Arsenide and Other Semiconduct.Applicat.Symp,2005:229-232.

[5]M Micovic,A Kurdoghlian,H P Moyer,P Hashimoto,A Schmitz,I Milosavljevic,P J Willadsen,W S Wong,J Duvall,M Hu,M Wetzel,D H Chow.GaN MMIC Technology for Microwave and Millimeter-wave Applications[C].IEEE Compound Semiconduct.Integr. CircuitSymp,2005:173-176.

[6]彭龍新，林金庭，魏同立.X 波段單片集成低噪聲子系統(tǒng)[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2002，22(2).

[7]陳勇波，周建軍，徐躍杭，等.GaN 高電子遷移率晶體管高頻噪聲特性的研究[J].微波學(xué)報(bào)，2011，27(6):84-88.

Ku-Band GaN Low-Noise Amplifiers MMIC

LIU Hao,PENG Longxin,NIU Chao,LING Zhijian
（Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing 210016,China）

A Ku-band GaN monolithic-microwave integrated-circuit low-noise amplifier is designed and fabricated using GaN 0.25 μm technology.The amplifier working at10 V with a current160 mA has a noise figure below 2.9 dB，a gain over20 dB and input/output VSWR less than 1.8/1.5 from 12 GHz to 18 GHz.The amplifiercan endure 38 dBm ofinputpulse power(1 ms period and 10%duty ratio at16 GHz)for10 minutes.

low-noise amplifier(LNA);endurance;GaN;MMIC

TN722.3

A

1681-1070 （2017）06-0027-04

劉 昊（1991—），男，吉林省吉林市人，2014 年本科畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院電磁場與無線技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)為南京電子器件研究所在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槲⒉ê撩撞▎纹呻娐贰?/p>

2017-3-27