一种12 GHz的高增益低噪声放大器

2022年电子技术应用第4期

何谟谞1，胡钧剑2，高 博2，贺良进2

1.成都飞机工业(集团)有限责任公司，四川 成都610090；2.四川大学 物理学院，四川 成都610065

摘要：

通过分析GaAs pHEMT器件特性设计了一款两级高增益、低功耗的低噪声放大器。采用两级结构提高低噪声放大器的增益，设计了一种共用电流结构，降低了放大器的功耗，同时降低电路噪声。输入、输出匹配均采用LC阶梯匹配 络，具有良好的匹配性，并使用CAD软件对电路进行设计优化。电路仿真结果表明，在中心频率12 GHz下实现了增益为27.299 dB、噪声系数为0.889 dB、S11和S22均小于-10 dB的性能，工作带宽为600 MHz。此低噪声放大器作为12 GHz频段的接收机的前端设计研究，具有一定意义。

关键词：

GaAspHEMT，LNA，共电流两级结构，高增益，LC阶梯匹配 络

0 引言：

随着无线通信的快速发展，低频段已不能满足应用需求，使用频段逐渐向高频段发展。在X~Ku波段中，12 GHz频段被广泛用于卫星广播业务和高清电视数字广播通信系统，同时，12 GHz频段还有望被用于5G通信服务[1-2]。除此之外，该频段也被用于个人医疗健康检测，从生物电信号中提取特征信息以实时监测人体的健康状况[3]。12 GHz低噪声放大器是该类应用研究中不可缺少的单元。

作为射频前端的第一个有源电路，LNA需要有高增益、低噪声以及好的信噪比。在高频段，LNA的设计变得困难，各项性能指标难以同时达到更好，对高增益、低噪声、高集成度等性能的放大器提出了更高的挑战[4]。

目前 道的文献中，大都采用多级级联以提高放大器的增益，级间需要匹配增加了电路的复杂程度以及芯片面积。在文献[5]中，使用了共源共栅结构和共源级设计LNA，实现了较高的峰值增益，但是，其使用了三级结构，而且工作频率较低；文献[6]中也使用了共源共栅结构设计LNA，可工作在较高的频率下，由于使用的CMOS工艺在高频下的局限性，无法实现较高的增益和较低的噪声系数；文献[7]中基于GaN工艺设计的LNA在X波段下可实现较高的增益，但是噪声系数和功耗很高；文献[8]中采用级联共源级实现的LNA，具有较低的功耗和噪声，但是增益不是很高。

目前，已有MESFET、HEMT、GaAs pHEMT等多种高性能低噪声的半导体结构应用于放大器的设计。其中，GaAs pHEMT晶体管，它在未掺杂GaAs层和掺杂AlGaAs层中引入了InGaAs薄层，这种特殊的结构可使电子聚集在InGaAs层的半导体界面附近，由于两侧是高能带材料，因此电子在聚集层中具有非常高的流动速度。这种结构器件具有高的饱和电子速度、输出跨导、器件电流等，从而可获得更高的增益和较低的噪声系数，并且具有更好的频率性能[9]。