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一種12 GHz的高增益低噪聲放大器

2022年電子技術(shù)應(yīng)用第4期

何謨谞1，胡鈞劍2，高博2，賀良進(jìn)2

1.成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川成都610090；2.四川大學(xué) 物理學(xué)院，四川成都610065

摘要： 通過分析GaAs pHEMT器件特性設(shè)計(jì)了一款兩級(jí)高增益、低功耗的低噪聲放大器。采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)提高低噪聲放大器的增益，設(shè)計(jì)了一種共用電流結(jié)構(gòu)，降低了放大器的功耗，同時(shí)降低電路噪聲。輸入、輸出匹配均采用LC階梯匹配網(wǎng)絡(luò)，具有良好的匹配性，并使用CAD軟件對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。電路仿真結(jié)果表明，在中心頻率12 GHz下實(shí)現(xiàn)了增益為27.299 dB、噪聲系數(shù)為0.889 dB、S11和S22均小于-10 dB的性能，工作帶寬為600 MHz。此低噪聲放大器作為12 GHz頻段的接收機(jī)的前端設(shè)計(jì)研究，具有一定意義。

關(guān)鍵詞： GaAspHEMT LNA 共電流兩級(jí)結(jié)構(gòu) 高增益 LC階梯匹配網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)： TN702
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.212377
中文引用格式： 何謨谞，胡鈞劍，高博，等. 一種12 GHz的高增益低噪聲放大器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2022，48(4)：104-107.
英文引用格式： He Moxu，Hu Junjian，Gao Bo，et al. A 12 GHz low noise amplifier with high-gain[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(4)：104-107.

A 12 GHz low noise amplifier with high-gain

He Moxu1，Hu Junjian2，Gao Bo2，He Liangjin2

1.Chengdu Aircraft Industry(Group) Co.，Ltd.，Chengdu 610090，China； 2.College of Physics，Sichuan University，Chengdu 610065，China

Abstract： A two-stage low noise amplifier(LNA) with high gain and low power is proposed by analyzing the characteristics of GaAs pHEMT devices. A two-stage structure is used to increase the gain of the low noise amplifier, a shared current structure is presented to reduce the power consumption of the amplifier and the circuit noise at the same time. Input and output matching adopt LC ladder matching network, which has good matching performance. The circuit is simulated using CAD software. The circuit simulation results show that the gain is 27.299 dB, the noise figure is 0.889 dB, S11 and S22 are both less than -10 dB at the center frequency of 12 GHz, and the working bandwidth is 600 MHz. This low-noise amplifier has a certain significance as the front-end design research of the receiver in the 12 GHz frequency band.

Key words : GaAs pHEMT；LNA；common current two-stage structure；high gain；LC ladder matching network

0 引言

隨著無線通信的快速發(fā)展，低頻段已不能滿足應(yīng)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(wù)和高清電視數(shù)字廣播通信系統(tǒng)，同時(shí)，12 GHz頻段還有望被用于5G通信服務(wù)^[1-2]。除此之外，該頻段也被用于個(gè)人醫(yī)療健康檢測，從生物電信號(hào)中提取特征信息以實(shí)時(shí)監(jiān)測人體的健康狀況^[3]。12 GHz低噪聲放大器是該類應(yīng)用研究中不可缺少的單元。

作為射頻前端的第一個(gè)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(shè)計(jì)變得困難，各項(xiàng)性能指標(biāo)難以同時(shí)達(dá)到更好，對(duì)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(bào)道的文獻(xiàn)中，大都采用多級(jí)級(jí)聯(lián)以提高放大器的增益，級(jí)間需要匹配增加了電路的復(fù)雜程度以及芯片面積。在文獻(xiàn)[5]中，使用了共源共柵結(jié)構(gòu)和共源級(jí)設(shè)計(jì)LNA，實(shí)現(xiàn)了較高的峰值增益，但是，其使用了三級(jí)結(jié)構(gòu)，而且工作頻率較低；文獻(xiàn)[6]中也使用了共源共柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)較高的增益和較低的噪聲系數(shù)；文獻(xiàn)[7]中基于GaN工藝設(shè)計(jì)的LNA在X波段下可實(shí)現(xiàn)較高的增益，但是噪聲系數(shù)和功耗很高；文獻(xiàn)[8]中采用級(jí)聯(lián)共源級(jí)實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體結(jié)構(gòu)應(yīng)用于放大器的設(shè)計(jì)。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(jié)構(gòu)可使電子聚集在InGaAs層的半導(dǎo)體界面附近，由于兩側(cè)是高能帶材料，因此電子在聚集層中具有非常高的流動(dòng)速度。這種結(jié)構(gòu)器件具有高的飽和電子速度、輸出跨導(dǎo)、器件電流等，從而可獲得更高的增益和較低的噪聲系數(shù)，并且具有更好的頻率性能^[9]。

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作者信息：

何謨谞1，胡鈞劍2，高博2，賀良進(jìn)2

(1.成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川成都610090；2.四川大學(xué) 物理學(xué)院，四川成都610065)

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