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基金项目:国家部委预研课题宽带W 波段低噪声放大器的设计与制作刘永强,曾志,刘如青,韩丽华,栾鹏,蔡树军(中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051)摘要:基于未来低功耗毫米波接收前端的应用,采用InP HE MT 工艺实现了一种W 波段宽带低噪声放大器。
该放大器采用边缘耦合线用于级间的隔离,扇形短截线用于RF 旁路,偏置网络采用薄膜电阻和扇形短截线以保持放大器的稳定性。
采用3mm 噪声测试系统对单片进行在片测试,测试结果显示在80～102G H z ,噪声系数小于5dB ,相关增益大于19dB 。
五级电路的栅、漏分别连在一起方便使用,芯片面积316mm ×117mm ,功耗30mW 。
关键词:磷化铟;高电子迁移率晶体管;低噪声放大器;W 波段;毫米波接收机;边缘耦合线中图分类号:T N72213 文献标识码:A 文章编号:10032353X (2009)0620579203Design and F abrication of a W 2B and Wide 2B and Low N oise AmplifierLiu Y ongqiang ,Z eng Zhi ,Liu Ruqing ,Han Lihua ,Luan Peng ,Cai Shujun(The 13th Research Institute ,CETC ,Shijiazhuang 050051,China )Abstract :A W 2band wide 2band low noise am plifier based on InP HE MT technology was developed for the application of low power millimeter 2wave receiver front 2end.Edge coupled lines were used for DC blocking and radial stubs were em ployed for RF bypass.TFR and radial stubs were used in the bias netw ork to ensure the stability.This am plifier was measured by an on 2wafer 3mm noise measurement system and a noise figure (NF )of less than 5dB with an ass ociated gain of greater than 19dB from 80to 102G H z were achieved.The gates and drains of the five stage circuit are connected respectively for convenience.The chip size is 316mm ×117mm ,the power dissipation is 30mW.K ey w ords :InP ;HE MT;LNA ;W 2band ;millimeter 2wave receiver ;edge coupled line EEACC :12200 引言单片电路具有体积小、成本低和可靠性高等优点,是毫米波电路的发展方向。
利用ADS 设计LNA低噪声放大器设计的依据和步骤：•满足规定的技术指标噪声系数（或噪声温度）；功率增益；增益平坦度；工作频带；动态范围输入、输出为标准微带线，其特征阻抗均为50Ω步骤：• 放大器级数（对于我们，为了便于设计和学习，通常选择一级） • 晶体管选择 • 电路拓扑结构 • 电路初步设计•用CAD 软件进行设计、优化、仿真模拟一、低噪声放大器的主要技术指标1．LNA 的噪声系数和噪声温度 放大器的噪声系数NF 可定义如下outout in in N S N S NF //=式中，NF 为微波部件的噪声系数；S in ，N in 分别为输入端的信号功率和噪声功率； S out ，N out 分别为输出端的信号功率和噪声功率。
噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏；信噪比下降的倍数就是噪声系数。
通常，噪声系数用分贝数表示，此时)lg(10)(NF dB NF =放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度T e 来表达。
噪声温度T e 与噪声系数NF 的关系是)1(0-⋅=NF T T e 式中，T 0为环境温度，通常取为293K 。
2．LNA 的功率增益、相关增益与增益平坦度微波放大器功率增益有多种定义，比如资用增益、实际增益、共扼增益、单向化增益等。
对于实际的低噪音放大器，功率增益通常是指信源和负载都是50Ω标准阻抗情况下实功率增益的大小还会影响整机噪声系数，下面给出简化的多级放大器噪声系数表达式： (112)13121+-+-+=G G N G N N N f f f f其中：f N －放大器整机噪声系数；321f f f N N N ，，－分别为第1，2，3级的噪声系数；21G G ，－分别为第1，2级功率增益。
从上面的讨论可以知道，当前级增益G 1和G 2足够大的时候，整机的噪声系数接近第一级的噪声系数。
因此多级放大器第一级噪音系数大小起决定作用。
作为成品微波低噪音放大器的功率增益，一般是20－50dB 范围。
MMIC是单片微波集成电路的缩写，是在半绝缘半导体衬底上用一系列的半导体工艺方法制造出无源和有源元器件，并连接起来构成应用于微波（甚至毫米波）频段的功能电路。
单片微波集成电路，即MMIC是Monolithic Microwave Integrated Circuit 的缩写，它包括多种功能电路，如低噪声放大器（LNA）、功率放大器、混频器、上变频器、检波器、调制器、压控振荡器（VCO）、移相器、开关、MMIC收发前端，甚至整个发射/接收（T/R）组件（收发系统）。
由于MMIC 的衬底材料（如GaAs、InP）的电子迁移率较高、禁带宽度宽、工作温度范围大、微波传输性能好，所以MMIC具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高、抗电磁辐射能力强等特点。
国外概况自1974年，美国的Plessey公司用GaAs FET作为有源器件，GaAs半绝缘衬底作为载体，研制成功世界上第一块MMIC放大器以来，在军事应用（包括智能武器、雷达、通信和电子战等方面）的推动下，MMIC的发展十分迅速。
80年代，随着分子束外延、金属有机物化学汽相淀积技术（MOCVD）和深亚微米加工技术的发展和进步，MMIC发展迅速。
1980年由Thomson-CSF和Fujitsu两公司实验室研制出高电子迁移率晶体管（HEMT），在材料结构上得到了不断的突破和创新。
1985年Maselink用性能更好的InGaAs沟道制成的赝配HEMT（PHEMT），使HEMT向更调频率更低噪声方向发展。
继HEMT之后，1984年用GaAlAs/GaAs异质结取代硅双极晶体管中的P-N结，研制成功了频率特性和速度特性更优异的异质结双极晶体管（HBT）和HBT MMIC。
由于InP材料具有高饱和电子迁移率、高击穿电场、良好的热导率、InP基的晶格匹配HEMT，其性能比GaAs基更为优越，近年来随着InP单晶的制备取得进展，InP基的HEMT、PHEMT、MMIC性能也得到很大的提高。
隶劫大·坚工程硕士学位论文
１０～２２ＧＨｚ低噪声放大器单片的研制ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴＯＦ
１Ｏ～２２ＧＨｚＬＯＷＮＯＩＳＥ
ＭＭＩＣＡＭＰＬＩＦＩＥＲ
ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
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Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２０１１东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
研究生签名茗蛊日期：！尘三．｝７
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弦ｆＶ７－≯７摘要ＧａＡｓ微波单片电路以其良好的性能和可靠性，已广泛应用于卫星通信转发器、机载火控雷达、电子对抗、导弹制导系统及其他武器装备。本文基于４英寸ＧａＡｓＰＨＥＭＴ工艺，从器件工作方式开始，根据要求，设计了１０～２２ＧＨｚ宽带低噪声放大器。讨论了器件的基本工作原理，基本工艺过程、模型提取过程以及器件的特性。研究了宽带放大器的经典电路拓扑，包含有耗匹配放大器结构、双平衡放大器结构、行波放大器结构和负反馈放大器结构，描述了它们各自的优缺点。详细研究了白偏置结构和负反馈放大器的工作原理，阐述了设计过程。结合电路仿真软件和电磁场仿真软件，设计了一种单片低噪声放大器，单电源＋５Ｖ供电，典型电流值８０ｍＡ，带宽为１０～２２ＧＨｚ，带内增益大于１８ｄＢ，增益平坦度约±１．２ｄＢ，驻波Ｌｅ，ｄ，于２。典型噪声系数３．０ｄＢ，增益压缩ｌｄＢ时输出功率大于１５ｄＢｍ。设计值与测量值基本吻合，指标达到了要求值。关键词：微波单片集成电路、宽带低噪声放大器、场效应晶体管、赝配高电子迁移率晶体管ＡｂｓｔｒａｃｔＧａＡｓＭＭＩＣｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｓａｔｅｌｌｉｔｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ，
ａｉｒｂｏｒｎｅｆｉｒｅｃｏｎｔｒｏｌｒａｄａｒ，ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ
ｓｙｓｔｅｍ，ｍｉｓｓｉｌｅｇｕｉｄａｎｃｅ
ａｎｄ
ｏｔｈｅｒｗｅａｐｏｎｓｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｓｉｔ’Ｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．
Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｄｅｖｅｌｏｐｓａ１０－２２ＧＨｚｂｒｏａｄｂａｎｄｌｏｗｎｏｉｓｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｂａｓｅｄｏｎ４ｉｎｃｈＧａＡｓＰＨＥＭＴｐｒｏｃｅｓｓ．ＢｅｇｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆＦＥＴ，ｔｈｉｓａｍｐｌｉｆｉｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｑｕｅｓｔ．ＴｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＦＥＴ，ｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｏｃｅｓｓ，
ｔｈｅｍｏｄｅｌｅｘｔｒａｃｔａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＦＥＴａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｍａｎｙｔｙｐｉｃａｌ
ｂｒｏａｄｂａｎｄａｍｐｌｉｆｉｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｌｏｓｓｙｍａｔｃｈａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｄｏｕｂｌｅｂａｌａｎｃｅ
ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇｗａｖｅａｎｄｆｅｅｄｂａｃｋａｍｐｌｉｆｉｅｒａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓ
ａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓａｌｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅｓｅｌｆ－ｂｉａｓａｎｄｎｅｇａｔｉｖｅｆｅｅｄｂａｃｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｉｒｃｕｉｔ
ｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｄｅｓｉｇｎａｌｅｓｔｕｄｉｅｄ．ＵｓｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄＥＭｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｌｏｗｎｏｉｓｅａｍｐｌｉｆｉｅｒＭＭＩＣｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＩｔｕｓｅｓａｓｉｎｇｌｅＤＣｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｏｆ＋５ＶＴｈｅｔｙｐｉｃａｌｃｕｒｒｅｎｔｉｓ８０ｍＡ．ａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｂａｎｄｉｓ１０－２２ＧＨｚ．Ｉｔｓｇａｉｎｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎ１８ｄＢ，ｔｈｅｇａｉｎｆｌａｔｎｅｓｓｉｓａｂｏｕｔ士１．２ｄＢ，ｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｓｔａｎｄｉｎｇｗａｖｅｒａｔｉｏｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ２，ｔｈｅｔｙｐｉｃａｌ
ｎｏｉｓｅｆｉｇｕｒｅｉｓ
３．０ｄＢ，ｔｈｅｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎ１５ｄＢｍｗｈｅｎｉｔｓｇａｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄｂｙ
ｌｄＢ．Ｉｔ
ｓｅｅｍｓｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓａｇｒｅｅｗｉｔｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓａｎｄｒｅａｃｈｅｄｔｈｅｒｅｑｕｅｓｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＭＩＣｂｒｏａｄｂａｎｄｌｏｗｎｏｉｓｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＰＨＥＭＴ目录第１章引言…．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．…．．…．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１１。１应用背景…………。…………………………………。１１．２研究现状．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．…………．．．．．．．．．．．．．．．．１１．３论文的主要工作……………………．…………………．２第２章工艺与器件．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．３２．１ＧａＡｓＰＨＥＭＴ工艺简介…．．……．．．…．．．．…．…．．．………．３
２．２ＰＨＥＭＴ工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４２．２．１器件的直流特性………………………．．………．．．５２．２．２器件的微波特性…………………………………．．７第３章器件的模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．……．．．．．．．．．．．．…．９３．１在片测试的应用………………………………………．９３．２器件的小信号模型……………………………．………．．９３．３器件的噪声模型．．…．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１３
３．３．１器件的噪声理论．…．……………………．…．……１３
３．３．２噪声的分析方法．．．．．．．．．．．．…．………．．．．．．．．．．．．．．．１４
３．３．３噪声模型提取……．……………………．………．１５
３．４器件的大信号模型提取…………………………………．１８
第４章放大器的设计．………………………………………．．２０
４．１放大器的指标体系…………………………．……．…．．２１４．１．１增益．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．．．．．．．．．．．．．．２１４．１．２噪声系数…．．…．．．．．．……………．．…．．．．……．．２１４．１．３驻波．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．２１４．１．４１
ｄＢ增益压缩点输出功率………………………．…２１
４．１．５放大器的稳定性…………………………………．２２４．２宽带放大器的分类与比较………………………………．．２４４．２．１有耗匹配法……．．．．．．．．………．．…．．．．．．．……．．．２４４．２．２行波放大器……………………………………．．２６４．２．３平衡放大器…．…．…．…．……………．…………２７４．２．４负反馈放大器……………………………………２９４．３放大器的设计过程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．……．．．．．．．…．３２４．３．１放大器的设计目标………………………………．．３２４．３．２场效应晶体管直流工作点的选择……………………．．３２４．３．３自偏置设计……………………………………．．３３４．３．４反馈电路设计……………………………………３６４．３．５电路综合优化调整………………………………．．３９４．３．６生成版图，版图仿真……………．………………．．４０４．３．７仿真结果………………………………．………４１４．３．８电路冗余设计……………………………………４３第５章芯片的测试与结果分析…………………………………．４３５．１芯片的装配．．．．．．．．．．．．…．．．…．．．．．…．．．．．．．．．．．。……．．．４４５．２器件测试……………………………．……………．．４６５．３测试结果分析．．．．．．．…．．．．．．…．．．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．．．…４９结束语．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．……．．．．．．．．…．．．．．．．．．……．．．．．４９致谢．．．…．．．．．．．．．．．．．．．…．．．．．…．．．．…．．．…．…．…．．．．．．．．５４参考文献．．．．…．．…．．．．……．．．．．…．．．．．…．．．……．……．．…５１
