张 耀，张志浩,2，章国豪,2
（1. 广东工业大学 信息工程学院, 广东 广州 510006；
2. 河源广工大协同创新研究院, 广东 河源 517000）
新一代的5G无线通信将采用毫米波频段的大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO) 基站，对毫米波芯片提出了很高的要求：高频率、大带宽、高功率密度、低噪声等。作为第3代半导体材料的代表，氮化镓(Gallium Nitride, GaN) 器件的功率密度是砷化镓(Gallium Arsenide, GaAs) 功率密度的10倍以上，特别适合于5G移动通信的应用，具有巨大的发展前景[1]。
低噪声放大器是接收机中重要的模块之一，其噪声和增益决定着接收机系统的整体性能。目前低噪声放大器的设计广泛采用GaAs赝高电子迁移率晶体管(Pseudo-High Electron Mobility Transistor,pHEMT) 器件，但GaAs受制于其较窄的禁带宽度，击穿电场较低，难以满足大功率的应用。GaN除了适合高频大功率的应用，还被证实有可以比拟GaAs的噪声性能[2]。在实际应用中，为了避免GaAs低噪声放大器在接收过高功率的输入信号时而受到损坏，通常需要在信号输入端前使用限幅器[3]等保护电路，从而引入额外的噪声导致接收机系统的灵敏度下降，同时也增加了电路设计难度和生产成本。GaN的高功率特性使设计的电路可以耐受更大的输入功率，避免限幅器等保护电路的使用，实现单片式微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC)的应用，降低设计的复杂度。同时GaN HEMT拥有较高的线性度[4]，使设计的低噪声放大器能够有效抑制信号阻塞的发生，减少信号交调的影响，提高接收机系统的动态范围。
目前国际上已有一些性能良好的GaN毫米波低噪声放大器被报道[5-8]。文献[5]提出一款工作频率18～31 GHz、增益达到21 dB以上、NF 小于1.2 dB的GaN低噪声放大器。文献[6]报道了一款工作于35～36.5 GHz的窄带低噪声放大器，其增益大于33 dB，NF小于2.3 dB。当前国内用于5G毫米波通信的GaN低噪声放大器仍在技术突破阶段[9-11]，报道相对较少，文献[9]实现的GaN单片低噪声放大器增益达到20 dB以上，NF平均为2 dB。
当前，全球可能优先部署的5G毫米波频段为n257(26.5～29.5 GHz) 和n258 (24.25～27.5 GHz) 频段[12]。本文面向新一代5G毫米波移动通信应用，采用三级级联的共源级拓扑结构设计了一款基于GaN HEMT技术的5G毫米波宽带低噪声放大器MMIC芯片，在24～30 GHz频率范围内实现了低噪声、高增益和高线性度，可以支持n257和n258的毫米波移动通信频段。
本文设计的单片集成低噪声放大器采用的是法国OMMIC公司的GaN HEMT工艺。该工艺提供耗尽型(Depletion Mode, D-Mode) HEMT，T型栅长为100 nm。其典型的最大振荡频率(fmax) 为160 GHz，增益截止频率(ft) 为110 GHz。该工艺提供两层金属层、镍铬电阻、GaN高值电阻、氮化硅介质和氮化硅、二氧化硅混合介质的MIM电容等器件。该工艺在漏极和源极通过n++GaN再生层形成非合金欧姆接触，降低了接触电阻[13]，从而降低GaN HEMT的导通电阻，有利于低噪声的应用。
2.1 整体电路结构
本文设计的低噪声放大器电路拓扑结构如图1所示，由GaN HEMT低噪声器件、偏置网络、λ/4传输线、匹配网络和反馈网络组成，其中λ为射频信号的波长。为了达到21 dB小信号增益的设计要求，采用了三级级联放大结构。第1级的设计主要考虑噪声系数，因为其噪声决定了整体电路的噪声水平。第2级主要考虑提高增益，同时兼顾噪声。第3级则重点提高输出功率和线性度，同时继续补足增益。通过对不同尺寸的HEMT管进行扫描仿真后，确定每一级器件的尺寸和直流偏置点，如表1所示，其中Vg为栅端偏置电压，Vd为漏端偏置电压，Ids为漏源静态电流。
图1 低噪声放大器电路拓扑结构框图Fig.1 Block diagram of low noise amplifier
表1 各级HEMT管的尺寸及偏置点Table 1 Size and bias point of each HEMT
2.2 偏置电路的设计
偏置电路的设计影响每一级放大器乃至整体电路的稳定性。如图2所示，本文设计的低噪声放大器偏置网络由两个旁路滤波电容C1、C2和两个小电阻R0、R1构成，并通过λ/4传输线连接GaN HEMT的栅端或漏端。两个旁路电容的大小是不同的，大电容C1用于滤除带外频率较低的射频信号，小电容C2用于滤除工作频带内的射频信号。R0、R1是阻值为10～20 Ω的小电阻，能够进一步确保每一级放大电路在全频带无条件稳定。前两级放大器合并供电，第三级放大器单独供电。
图2 偏置电路结构Fig.2 Bias circuit structure
若输入信号的功率太高，有可能会将放大器击穿。在每一级栅端偏置电路中串联一个千欧姆级的大电阻，可以增强放大管对高功率输入信号的承受能力，提高了鲁棒性。
2.3 输入匹配电路的设计
低噪声放大器的设计过程中，最关键的就是噪声系数的最优设计，第一级放大器的噪声决定着整体电路的噪声性能，输入匹配的设计尤其重要。放大器的噪声系数可以定义为
其中：NFmin为最小噪声系数，Gn为放大管的等效噪声电导，Rs为源电阻，Zs为源阻抗，Zsopt为最优噪声源阻抗。由此可以得出，对于给定的器件和源，当Zs=Zsopt时，可以实现最优噪声NF=NFmin。然而这种噪声匹配的方法往往与增益匹配相矛盾，导致输入级放大器的增益过低，由弗里斯(Friis)方程可知[14]，后级放大器的噪声得不到有效的抑制。在源极添加电感，实现局部的串联反馈能够解决最优噪声匹配和共轭匹配之间的矛盾。本文设计的输入匹配电路如图3所示，电路设计中需要用到的电感均以微带线替代。栅端和漏端供电通过λ/4传输线与偏置网络相连接，不参与匹配。源端接入两段对称的传输线TLs实现源极电感反馈。假设源端接入的传输线为纯电感Ls，此时放大器的输入阻抗可定义为
图3 带源极反馈电感的输入匹配电路Fig.3 Input matching circuit with source feedback inductance
其中：gm为放大管的跨导，Cgs为放大管的栅源寄生电容，Ls为源端加入的电感，该式忽略了输出阻抗和其他寄生参数的影响。源端电感为输入阻抗提供了一个实部阻抗，通过恰当地调整Ls的值，能够使增益和噪声之间得到合适的折衷。通过ADS（Advanced Design System）仿真可以得出输入级在27 GHz时史密斯圆图中的噪声系数常量圆和可用增益常量圆如图4所示，由于源端反馈电感引入的实部阻抗会消耗部分增益，所以可用的增益会低于放大管原有的最大可用增益。同时，源端反馈电感的应用也是保证输入级电路稳定性的重要因素。权衡噪声、增益和输入回波损耗后，在1.2 dB等噪声圆和8.5 dB等增益圆相交部分选取合适的源阻抗点Zs，为了避免引入较大的噪声，输入匹配仅由C1和TL1组成，C1同时用于直流阻隔。
图4 引入源端电感反馈后的可用增益常量圆和噪声系数常量圆Fig.4 The available gain constant circle and noise constant circle
第一、二级的级间匹配减少源极电感的大小，提高增益。加入一个到地的小电容，形成三阶的匹配网络，拓展带宽。
2.4 输出匹配电路的设计
完成前两级放大电路基于最优噪声的设计后，第三级输出级的设计主要关注增益和带宽。输出匹配电路结构如图5所示，R2、C2并联后接输出隔直电容C3，微调漏端供电传输线，形成良好匹配，提高带内增益。电阻R2可以调整带内高频和低频的增益，提高增益平坦度，拓展带宽。漏端和栅端通过一个LRC反馈结构连接，电感TL1调节增益的峰值，电阻R1和电容C1可以抑制带增益的峰值，起到平坦增益的效果[15]。通过适当调节TL1、R1和C1，能够有效拓展带宽。
图5 输出匹配电路和RLC反馈电路Fig.5 Output matching circuit and RLC feedback circuit
本次设计的单片集成低噪声放大器芯片尺寸为2.0 mm×1.5 mm，采用微探针台、矢量网络分析仪、频谱仪、噪声源等对芯片进行了在片的小信号S参数、噪声系数和输出1 dB功率压缩点的测试，测试平台如图6所示，信号输入、输出端口所用探针为GSG(ground-signal-ground )结构，漏极和栅极的馈电探针为SGGS (signal-ground-ground-signal)结构。所有测试在室温下进行。
图6 氮化镓低噪声放大器芯片照片Fig.6 Photograph of GaN LNA MMIC
在片测试的小信号线性增益S21如图7所示。在频带24～30 GHz内，S21的测试结果为21.1～24.1 dB (−3 dB带宽)。对比图7中显示的仿真结果，仿真与实测存在差异。由仿真得出，S21在27.5 GHz处最大，为21.2 dB。实测数据最大小信号增益出现在26.7 GHz，为24.1 dB，实测中心频点比仿真往低频偏移0.8 GHz，整体数值比仿真偏高2～3 dB。出现差异的原因考虑是由于仿真模型的精确度不够高，寄生参数的模拟不够精确。如图8所示，该低噪放具有良好的输入、输出回波损耗，而且反向隔离度低于−45 dB。实测的噪声系数如图9所示，在24～30 GHz频率范围内，噪声系数为2.4～2.5 dB左右，其中，在26 GHz频点处，测得最低噪声系数为2.41 dB。图10给出了24～30 GHz频率范围内输出1 dB功率压缩点的测试数据，为14.4～15.8 dBm。全频带内芯片工作稳定，无振荡。在Vd=5 V，Vg=−1.2 V的偏置条件下，该低噪声放大器的直流馈电电流为50 mA，即直流功耗为250 mW。
图7 S21仿真与实测结果Fig.7 Simulation and measured results of S21
图8 S11、S22、S12仿真与测试结果Fig.8 Simulation and measured results of S11, S22 and S12
图9 噪声系数测试结果Fig.9 Measured results of Noise Figure
图10 输出1dB功率压缩点测试结果Fig.10 Measured results of P1dB
表2列举出本文与其他使用GaN HEMT工艺设计的低噪声放大器之间的性能对比。
表2 性能对比Table 2 Comparison of the performance
本文提出了一种工作在24～30 GHz频段的低噪声放大器，采用栅长为100 nm的GaN HEMT工艺设计，芯片尺寸为2.0 mm×1.5 mm，直流功耗为250 mW。在工作频段内，噪声系数在2.4～2.5 dB左右的水平，增益为21.1～24.1 dB，输入回波损耗低于−10 dB，输出1 dB功率压缩点在14.4～15.8 dBm的水平。
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