微波限幅低噪声放大器研究进展

微波限幅低噪声放大器研究进展

卢英菲,   ,杨琳,   ,王保柱

河北科技大学信息学院     河北石家庄    050018

摘要：最近几年，毫米波通信技术在生活中的各个领域发展都很迅速。在无线通信毫米波发射机中低噪声放大器具有非常重要的地位。为保护低噪声放大器研究者会在放大器前端添加限幅器模块。论文介绍了限幅低噪声放大器的工作原理和国内外研究进展。

关键字：限幅；低噪声；放大器

1 前言

近年来，半导体工艺技术和高速无线通信技术的快速发展促进了毫米波技术日趋成熟，毫米波通信技术在生活中的各个领域大展拳脚。毫米波在很多领域都有所应用且前景广阔。GaAs工艺在性能方面比CMOS要高，所以现下主流的收发机都是采用GaAs工艺 。6GHz以下频率因为无线通信技术已经占用很多频谱资源，所以现在能继续开发的频谱资源已经很少了，在频谱资源如此拥挤的今天，各个频段之间的干扰也越来越严重。现今人们要求传输速度越来越快，倒逼无线通信技术向频率更高的毫米波频段发展。毫米波波长在1-10mm之间，与之对应的频段范围是30-300GHz，毫米波依靠波长短，穿透力强等特点在医学检测，汽车自动驾驶等领域得到广泛应用。

2 限幅低噪声放大器的工作原理和研究进展

放大器作为毫米波收发系统的重要组成部分，可以实现信号放大。在放大器分类中，低噪声放大器（LNA）是所有种类中用途较广的一种。在设计 LNA 时需要考量的指标有很多，这些指标中最重要的是噪声和线性度，噪声和线性度可以直接反映整个电路系统的灵敏度和动态范围。信噪比过高也会大幅度降低带宽，在这样拥挤的带宽环境下，降低信噪比就显得尤为重要。信噪比又由系统噪声直接控制，这个指标也是由低噪声放大器所决定。另外，当输入功率较大时，低噪声放大器中的有源器件耐功率普遍较低，有些高功率雷达的收发系统共用一个天线，这个天线兼备发射与接收功能。但是发射机的功率往往很高，通常在几千瓦到几万瓦之间，发射机与接收机的频段又非常接近，接收机就会耦合到一些发射机发射的大功率信号，即使这部分信号只占发射机整体信号很小一部分，但是对接收机也是致命的。研究者在设计大功率接收机时会将限幅器设计在低噪声放大器前端，限幅器是大功率接收机系统中的重要模块。检测识别和处理极其微弱信号的能力是接收机必须要具备的能力。在这样的要求下，灵敏度对于低噪声放大器就非常重要。

因为早期工艺不够完善，限幅低噪声放大器基本都是混合集成，这样的设计方式会引入较大噪声系数并增加电路面积。随着科技的发展与进步，这样的方式不再能满足人们对低噪声，高集成，高鲁棒性的需求。研究者根据这些需求在设计研究限幅低噪声放大器时引入单片微波集成电路技术，通过集成设计的方式将低噪声放大器和限幅器协同设计在一块衬底上，这样极大的缩小了芯片面积，集成设计的限幅LNA噪声更小，芯片面积更小，稳定性更高。

低噪声放大器方面：早在2010年，克里特工业大学的C.H.Wang等人发表了一款低噪声放大器，该低噪声放大器基于0.13µm-CMOS工艺，工作频段是24-29GHz。C.H.Wang等人采用两级共源以及一级共栅结构。C.H.Wang等人的设计最大增益和噪声系数在当年是非常优秀的，分别是17.7dB和3.l dB，芯片面积是0.51mm2，直流功耗为20.07mW。该低噪声放大器经过流片测试得出噪声系数为2.9dB，最大增益为18.5dB。三年后的2014年佐治亚理工学院SongP等人依旧基于CMOS工艺设计了一款低噪声放大器，工作频率范围是74-81GHz。流片测试结果表明，这个设计在增益方面是非常优秀的，达到了30dB，噪声系数和芯片面积都没有很大的提升，分别是4dB和0.3mm2，直流功耗有所减小。四年后的2018年美国的M.Elkholy等人设计了一款LNA，采用40nm- CMOS工艺，该结构与2010年的克里特工业大学的C.H.Wang等人较为相近，通过一级共源和两级差分结构实现在26-33GHz的低噪声放大器。在他们的设计中，第二级和第三级采用电容中和技术，通过这样的设计提高了器件的增益和稳定性，噪声系数也大大降低。经过测试，该设计最大增益是18.4dB，最小噪声系数为3.4dB，芯片面积进一步缩小。限幅器方面，早年的国外研究主要集中在同轴线、波导等方面，具体特点是体积大，耐功率水平高。近年来伴随着工艺的成熟，制作工艺多采用厚膜和薄膜工艺。国际的主流研究方式分为以下几个方向，分别是分析，仿真，提高集成度，降低调试量。随着市场需要芯片尺寸越来越小型化，要求限幅器的芯片面积持续减小。例如：Mini-Cireuits公司的中超宽带限幅器CLM-83-2W+，这个限幅器的工作频率范围较大，下至30MHz，上至82GHz。CLM-83-2W+耐功率也非常高，可达到32dBm，限幅电平和插入损耗只有11.5dBm

和0.5dBm。OMNIYIG公司的限幅器工作频率范围也比较宽，下至100MHz，上至18GHz。AeroflexMctelics公司在限幅器领域也有一定的成就，LM202802-Q-C-301是该公司超宽带限幅器的代表，LM202802-Q-C-301的最大连续波耐功率最大可以达到50dBm，工作频率范围是从2GHz到8GHz。

3 结语

微波限幅低噪声放大器依旧有很大的进步空间：噪声过大，成本过高，带宽限制以及集成度低引起芯片面积较大等问题。因此，研究者的首要目标是研究与设计高性能毫米波限幅低噪声放大器。在毫米波限幅低噪声放大器领域实现低插入损耗，低噪声，低成本，高集成度等性能，用以满足在高速或超高速，超大量数据传输的需求。

参考文献：

[1]梁永明.毫米波低唉声放大器研究与设计[D].浙江：杭州电子科技大学,2018.

[2]洪伟，余超，陈继新，等人.毫米波与太耕兹技术[J].中国科学:信息科学,2016.46(8): 1086.1

[3]王磊，任健.刘飞飞等.Ka波段GaAs MMIC限幅低噪声放大器的设计[J].半导体技术,2018,43(12):893-897.