Ku频段小型化低噪声放大器的设计*

梁 栋，刘巍巍，韩 威，江肖力

（中电54所，石家庄050081）

Ku频段小型化低噪声放大器的设计*

梁 栋，刘巍巍，韩 威，江肖力*

（中电54所，石家庄050081）

设计制作了一款基于微组装工艺的小型化低噪声放大器（LNA）。该器件广泛选用裸管芯、芯片电容等微型器件，采用两级放大电路结构，使用AWR与HFSS电磁仿真软件进行设计、优化和仿真，运用键合金丝微波特性进行噪声系数调试，实现较好的低噪声微波特性。最终实现了在12.25 GHz～12.75 GHz工作频段，增益大于20 dB，噪声系数小于1.2 dB的低噪声放大器，整体电路尺寸仅为12 mm×10 mm×7 mm。

低噪声放大器；小型化；键合金丝；微组装；AWR；HFSS

当前移动通信、卫星通信更新换代，日新月异，射频接收前端技术在此背景下愈显重要［1-2］。其中，作为接收前端重要部件的低噪声放大器（LNA）的性能尤为重要。作为不可或缺的微波器件，其主要作用是放大接收天线输出端的有效信号，并降低噪声干扰。对于LNA来说，追求超低噪声系数，优良的放大能力是永久的设计方向［3］，而在此基础上实现小型化，则是目前系统对器件的迫切需求。而LNA的高性能、小型化将直接推动和优化接收前端系统的整体性能与体积。本文将依托薄膜基板制造工艺，结合微组装封装工艺，进行探索设计，旨在实现低噪声放大器的小型化。

1 LNA主要技术指标

1.1 噪声系数FN

噪声系数的定义为放大器输入信噪比与输出信噪比的比值，即：

式中，FN为微波部件的噪声系数；Sin、Nin分别为输入端的信号功率和噪声功率；Sout、Nout分别为输出端的信号功率和噪声功率。

噪声温度是噪声系数的另一种表达方式，相比于噪声系数，噪声温度在噪声超低区域差值较大，适合在某些噪声系数要求非常高的系统作为衡量指标，这部分噪声功率表示公式如下：

式中：k为波尔兹曼常量1.38×10-23J/K；Te为有效温度，单位为K；B为带宽，单位为Hz。

噪声系数的物理含义是：输入信号通过放大器后，放大器噪声的产生，使输出信噪比变坏，输入输出信噪比的差别倍数就是噪声系数。

1.2 放大器增益G

放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值：

一般来说，LNA的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机动态范围等结合起来考虑［4］。

2 LNA电路设计

2.1 电路结构

自给栅偏压电路如图1所示，在此FET的源级串联一个电阻RS，当漏极电流流过RS时，在它的两端将产生压降，而在输入匹配网络中，有栅极电感到地设计（见图2所示），以致栅极电压为零，因此使VGS小于零，使得芯片工作在放大区，实现自给栅偏压。同时，此电路也是一种直流负反馈电路，可以降低整个电路对晶体管自身性能变化的敏感度，提高晶体管静态工作点的稳定性［5］。实现单电源供电，相比于正负压单独供电，此电路结构可有效减小供电电路面积，利于本放大器小型化设计。

图1 自给栅偏压电路

由多级放大电路构成的放大器噪声系数为：

式中：FN为整个放大器的噪声系数，FN1、FN2、FN3分别是第1、2、3级的噪声系数；G1、G2分别是第1、2级的增益［6］。从式（4）可知，第1级低噪声放大电路的噪声系数与增益对整个放大器的噪声系数起着决定性作用，其噪声系数越小，增益越大，整个电路的噪声系数就越小。因此，第1级放大电路基本要按实现最佳噪声系数设计，第2级放大电路主要起到增益放大的作用。本文设计也将遵循此原理，前级优化噪声系数并兼顾回波损耗，后级为最大增益设计，后级放大器增益比前级约高3 dB～4 dB。

图2为本放大器的电路原理图，放大器由A1和A2组成的两级放大电路单元组成。

图2 放大器原理图

图2中的A1和A2为裸管芯FHX13X，皆为GaAs Super HEMT场效应管，低噪声性能优良，且可靠性与稳定度高，其尺寸仅为0.45 mm×0.35 mm×0.1 mm，其推荐使用频率为2 GHz～18 GHz，在12 GHz时，如图3所示，其静态工作点为VDS=2 V，Ids=10 mA时，FHX13X的噪声系数优于0.5 dB，增益在12 dB以上。

图3 管芯静态工作点参数

图3中，V1为78M05稳压裸芯片，图中所有电阻均采用薄膜电阻，电容均采用高性能的单层电容，高频电感则利用键合金丝进行等效替代，大大实现电路小型化。

2.2 键合金丝电路模型

图4、图5分别是键合金丝的拓扑图与等效电路图。从键合金丝的等效电路来看，可看成是串联电感和并联到地电容的分布参数组合［7］。在高频频段，键合金丝的分布参数效应愈趋于明显，特别是其电感值随着键合金丝的长度变化明显。

图6为直径25μm，拱高为0.2 mm，跨长为0.5 mm的单根键合金丝在HFSS中的三维仿真模型，其波端口激励已嵌入至键合线根部，以便排除两端微带线带来的参数干扰。图7为计算得到的待测金丝等效电感值与品质因数，从中可见其感值随着频率的提高而变大，因此可将其等效为高频电感使用，完成匹配与调试工作，同时键合金丝本身在Ku段品质因数很高，因此在输入端引入的损耗很小，利于低噪声放大设计。

图4 键合金丝拓扑图

图5 键合金丝等效电路图

图6 键合金丝HFSS仿真模型

图7 键合金丝等效参数曲线

2.3 稳定性分析

实际中微波场效应晶体管都存在内部反馈，微波管的S12就表示内部反馈量，它是电压波的反向传输系数，S12越大，内部反馈越强，反馈量达到一定强度时，将会引起放大器稳定性变坏，甚至产生自激震荡［8］。微波放大器的稳定性判断条件如下：

式中：D=S11S22-S12S21。当K＞1时，放大器处于稳定工作状态。

在电路结构设计中，放大器管芯的源极与地之间串联RLC电路构成直流负反馈，可提高放大器的稳定性，有效防止电路自激。

2.4 电路仿真设计

AWR为微波设计常用的电磁仿真软件，可方便建立电路级模型，展开电路拓扑结构设计，并进行参数调整优化，得到较优的噪声系数，增益等参数的仿真结果。

本电路基板采用ε=9.8，厚度为0.381 mm的氧化铝陶瓷基片，溅射金层厚度为4μm。通过不断仿真优化，输入采用图2中的L1（并联到地电感）、L2（串联电感）组合，输出采用微带L型枝节匹配，可以得到较好的输入输出阻抗匹配。级间保持较短微带线连接，即能得到最大增益设计。同时，仿真设计带宽大于实际使用带宽，用于补偿仿真计算与实际微组装过程中引入的频率偏移。

图8 放大器AWR仿真模型

从仿真优化过程中可以得出，在输入处的金丝键合线L1、L2的长度对放大器的噪声系数与输入驻波影响大，参数调节可以看出，L2对噪声系数影响较大，而L1则同时影响噪声系数与输入驻波。在L1长度为0.9 mm，L2长度为0.3 mm时，其噪声系数，驻波比仿真最优。

经过优化后，各指标仿真结果如图9～图12所示。

图9 放大器FN仿真曲线

图10 放大器S21仿真曲线

图11 放大器S11、S22仿真曲线

图12 放大器稳定系数K值仿真曲线

3 电路组装

本电路为典型的基于薄膜工艺的混合集成电路，所有芯片均采用裸芯片，所有元器件及薄膜陶瓷基片都使用导电胶将其粘接在镀金盒体中，其电路有效面积尺寸为8 mm×6 mm，除去K连接器外形尺寸为12 mm×10 mm×7 mm，如图13所示。与传统封装LNA相比，如国内巨田微波的JTLA系列相比，性能指标相当（如表1所述），而尺寸面积可减小10倍以上，小型化成果显著。

图13 放大器实物图

4 电路调试及测试

LNA微组装完成后，进行电路调试，校正二维仿真及微组装过程带来的差异性。主要手段采用金丝键合进行静态工作点与匹配网络的调试，配合设计过程中所预留调试手段（薄膜电阻阻值分阶梯设计，匹配网络调试小岛，金丝键合长短等），实现狭小空间里的灵活调试，特别是键合金丝线L1的根数与长度，对噪声系数与输入驻波比有较大影响。发现在一定范围内，键合金丝L1感值越大（即并排到地的键合金丝根数越少，长度越长），噪声系数越好，而输入驻波越差。通过调试，在L1为两根，长度约为2 mm时，得到一个噪声系数与驻波比相对均衡的结果。

采用噪声系数分析仪Agilent N8975A对产品进行了测试，噪声源为346 A，在12 GHz的ENR为4.97 dB。实测结果如图14所示，从图中可以看出在12.25～12.75 GHz频段内噪声系数小于1.2 dB。

图14 放大器FN实测曲线

而与图9相比，实际比仿真恶化0.5 dB，分析原因首先是来自仿真误差，采用AWR进行了理想电路级仿真，实际器件与理论模型的偏差会引入一定的不确定性；再者测试时K连接器、波珠以及与微带线的粘接装配都会引入额外损耗。具体而言，K连接器与波珠噪声贡献约为0.2 dB～0.3 dB；第一级放大器噪声系数约为0.8 dB，其中自偏置电阻R3带来0.1 dB～0.2 dB的噪声；第2级放大器噪声系数约为1.2 dB。

采用矢量网络分析仪R&S ZVA50对产品进行测试，实测结果如图15所示，从图中可以看出，在使用频段，放大器增益大于22 dB，带内平坦度优于1 dB，驻波比优于2∶1。测试以上数据时，低噪声放大器工作电压为+8 V，工作电流为40 mA。

图15 放大器S参数实测曲线

表1为本产品与国内外同类产品的性能比较，可见本产品的性能指标已达到国内先进，但与国外成熟产品还有一定的距离，将是下一步努力的方向与目标。

表1 本产品与国内外同类产品比较

5 结论

基于薄膜制造工艺与微组装封装工艺，本文围绕裸管芯进行AWR电磁仿真优化设计，并探究了键合金丝的微波特性。通过金丝键合匹配调试，最终实现了一款在12.25～12.75 GHz频段，噪声系数为1.2 dB，整体电路尺寸仅为12 mm×10 mm×7 mm的低噪声放大器。通过此类LNA设计的探索，即广泛使用裸芯片，采用键合互联，并将键合金丝用于匹配网络设计，可大大提高调试灵活度，有力实现器件小型化，同时对卫星通信，电子对抗等整机接收设备小型化也有很好的推动与促进作用。

［1］Yoon S W.Static and Dynamic Error Vector Magnitudebehavior of 2.4 GHz Power Amplifier［J］.IEEE Transactions Microwave Theo⁃ry and Techniques，2007，55（4）：643-647.

［2］吴剑锋，秦会斌，黄海云，等.低功耗CMOS射频低噪声放大器的设计［J］.电子器件，2009，32（1）：56-59.

［3］王晓远，周志平，王宁，等.利用ADS设计低噪声放大器［J］.计量与测试技术，2011，38（11）：32-35.

［4］陈邦媛.射频通信电路［M］.北京：科学出版社，2006（全书）.

［5］程曦，邱义杰.6～18 GHz小型化低噪声放大器的设计［J］.微波学报，2012，28（5）：85-88.

［6］David M Pozar.微波工程［M］.北京：电子工业出版社，2008：425-426.

［7］Inder Bahl.Lumped Elements for RF and Microwavecircuits［M］. Artech House，2003：154-155.

［8］齐盛，秦会斌，严叶挺.高低增益双通路射频低噪声放大器的设计［J］.电子器件，2009，32（5）：393-396.

梁 栋（1986-），男，汉族，山东泰安人，工程师，射频与微波专业，工作单位：中电54所，主要研究微波器件与电路及其小型化，dongl-1986@163.com；

江肖力（1964-），研究员级高级工程师，现任中电54所微组装中心主任，主要从事于卫星通信微波技术与微组装技术设计与研究。

Design of a Compact Ku Band Low Noise Amplifier*

LIANG Dong，LIU Weiwei，HAN Wei，JIANG Xiaoli*
（CECT54，Shijiazhuang 050081，China）

A compact and low noise amplifier（LNA）was designed and fabricated by using the micro-assembly pro⁃cess.Micro components were widely selected such as dies，chip capacitors and others.Based on a two stage structure，the circuit EMdesign，optimization and analysis were realized in AWR and HFSS.The bonding wire based on microassembly adjustment method was used to achieve a low noise performance.The fabricated LNA was under a working range from 12.25 GHz to 12.75 GHz，with an associated gain of 20 dB and noise figure as low as 1.2 dB.The final product size was only 12 mm×10 mm×7 mm.

LNA；downsized；bonding wire；micro assembly；AWR；HFSS

TP722.3

A

1005-9490（2016）06-1364-05

1220

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.017

项目来源：国家自然科学基金项目（61404119）

2015-12-04 修改日期：2016-03-25