Ku頻段小型化低噪聲放大器的設計*

梁 棟，劉巍巍，韓 威，江肖力

（中電54所，石家莊050081）

Ku頻段小型化低噪聲放大器的設計*

梁 棟，劉巍巍，韓 威，江肖力*

（中電54所，石家莊050081）

設計制作了一款基于微組裝工藝的小型化低噪聲放大器（LNA）。該器件廣泛選用裸管芯、芯片電容等微型器件，采用兩級放大電路結構，使用AWR與HFSS電磁仿真軟件進行設計、優(yōu)化和仿真，運用鍵合金絲微波特性進行噪聲系數(shù)調(diào)試，實現(xiàn)較好的低噪聲微波特性。最終實現(xiàn)了在12.25 GHz～12.75 GHz工作頻段，增益大于20 dB，噪聲系數(shù)小于1.2 dB的低噪聲放大器，整體電路尺寸僅為12 mm×10 mm×7 mm。

低噪聲放大器；小型化；鍵合金絲；微組裝；AWR；HFSS

當前移動通信、衛(wèi)星通信更新?lián)Q代，日新月異，射頻接收前端技術在此背景下愈顯重要［1-2］。其中，作為接收前端重要部件的低噪聲放大器（LNA）的性能尤為重要。作為不可或缺的微波器件，其主要作用是放大接收天線輸出端的有效信號，并降低噪聲干擾。對于LNA來說，追求超低噪聲系數(shù)，優(yōu)良的放大能力是永久的設計方向［3］，而在此基礎上實現(xiàn)小型化，則是目前系統(tǒng)對器件的迫切需求。而LNA的高性能、小型化將直接推動和優(yōu)化接收前端系統(tǒng)的整體性能與體積。本文將依托薄膜基板制造工藝，結合微組裝封裝工藝，進行探索設計，旨在實現(xiàn)低噪聲放大器的小型化。

1 LNA主要技術指標

1.1 噪聲系數(shù)FN

噪聲系數(shù)的定義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即：

式中，F(xiàn)N為微波部件的噪聲系數(shù)；Sin、Nin分別為輸入端的信號功率和噪聲功率；Sout、Nout分別為輸出端的信號功率和噪聲功率。

噪聲溫度是噪聲系數(shù)的另一種表達方式，相比于噪聲系數(shù)，噪聲溫度在噪聲超低區(qū)域差值較大，適合在某些噪聲系數(shù)要求非常高的系統(tǒng)作為衡量指標，這部分噪聲功率表示公式如下：

式中：k為波爾茲曼常量1.38×10-23J/K；Te為有效溫度，單位為K；B為帶寬，單位為Hz。

噪聲系數(shù)的物理含義是：輸入信號通過放大器后，放大器噪聲的產(chǎn)生，使輸出信噪比變壞，輸入輸出信噪比的差別倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。

1.2 放大器增益G

放大器的增益定義為放大器輸出功率與輸入功率的比值：

一般來說，LNA的增益確定應與系統(tǒng)的整機噪聲系數(shù)、接收機動態(tài)范圍等結合起來考慮［4］。

2 LNA電路設計

2.1 電路結構

自給柵偏壓電路如圖1所示，在此FET的源級串聯(lián)一個電阻RS，當漏極電流流過RS時，在它的兩端將產(chǎn)生壓降，而在輸入匹配網(wǎng)絡中，有柵極電感到地設計（見圖2所示），以致柵極電壓為零，因此使VGS小于零，使得芯片工作在放大區(qū)，實現(xiàn)自給柵偏壓。同時，此電路也是一種直流負反饋電路，可以降低整個電路對晶體管自身性能變化的敏感度，提高晶體管靜態(tài)工作點的穩(wěn)定性［5］。實現(xiàn)單電源供電，相比于正負壓單獨供電，此電路結構可有效減小供電電路面積，利于本放大器小型化設計。

圖1 自給柵偏壓電路

由多級放大電路構成的放大器噪聲系數(shù)為：

式中：FN為整個放大器的噪聲系數(shù)，F(xiàn)N1、FN2、FN3分別是第1、2、3級的噪聲系數(shù)；G1、G2分別是第1、2級的增益［6］。從式（4）可知，第1級低噪聲放大電路的噪聲系數(shù)與增益對整個放大器的噪聲系數(shù)起著決定性作用，其噪聲系數(shù)越小，增益越大，整個電路的噪聲系數(shù)就越小。因此，第1級放大電路基本要按實現(xiàn)最佳噪聲系數(shù)設計，第2級放大電路主要起到增益放大的作用。本文設計也將遵循此原理，前級優(yōu)化噪聲系數(shù)并兼顧回波損耗，后級為最大增益設計，后級放大器增益比前級約高3 dB～4 dB。

圖2為本放大器的電路原理圖，放大器由A1和A2組成的兩級放大電路單元組成。

圖2 放大器原理圖

圖2中的A1和A2為裸管芯FHX13X，皆為GaAs Super HEMT場效應管，低噪聲性能優(yōu)良，且可靠性與穩(wěn)定度高，其尺寸僅為0.45 mm×0.35 mm×0.1 mm，其推薦使用頻率為2 GHz～18 GHz，在12 GHz時，如圖3所示，其靜態(tài)工作點為VDS=2 V，Ids=10 mA時，F(xiàn)HX13X的噪聲系數(shù)優(yōu)于0.5 dB，增益在12 dB以上。

圖3 管芯靜態(tài)工作點參數(shù)

圖3中，V1為78M05穩(wěn)壓裸芯片，圖中所有電阻均采用薄膜電阻，電容均采用高性能的單層電容，高頻電感則利用鍵合金絲進行等效替代，大大實現(xiàn)電路小型化。

2.2 鍵合金絲電路模型

圖4、圖5分別是鍵合金絲的拓撲圖與等效電路圖。從鍵合金絲的等效電路來看，可看成是串聯(lián)電感和并聯(lián)到地電容的分布參數(shù)組合［7］。在高頻頻段，鍵合金絲的分布參數(shù)效應愈趨于明顯，特別是其電感值隨著鍵合金絲的長度變化明顯。

圖6為直徑25μm，拱高為0.2 mm，跨長為0.5 mm的單根鍵合金絲在HFSS中的三維仿真模型，其波端口激勵已嵌入至鍵合線根部，以便排除兩端微帶線帶來的參數(shù)干擾。圖7為計算得到的待測金絲等效電感值與品質(zhì)因數(shù)，從中可見其感值隨著頻率的提高而變大，因此可將其等效為高頻電感使用，完成匹配與調(diào)試工作，同時鍵合金絲本身在Ku段品質(zhì)因數(shù)很高，因此在輸入端引入的損耗很小，利于低噪聲放大設計。

圖4 鍵合金絲拓撲圖

圖5 鍵合金絲等效電路圖

圖6 鍵合金絲HFSS仿真模型

圖7 鍵合金絲等效參數(shù)曲線

2.3 穩(wěn)定性分析

實際中微波場效應晶體管都存在內(nèi)部反饋，微波管的S12就表示內(nèi)部反饋量，它是電壓波的反向傳輸系數(shù)，S12越大，內(nèi)部反饋越強，反饋量達到一定強度時，將會引起放大器穩(wěn)定性變壞，甚至產(chǎn)生自激震蕩［8］。微波放大器的穩(wěn)定性判斷條件如下：

式中：D=S11S22-S12S21。當K＞1時，放大器處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

在電路結構設計中，放大器管芯的源極與地之間串聯(lián)RLC電路構成直流負反饋，可提高放大器的穩(wěn)定性，有效防止電路自激。

2.4 電路仿真設計

AWR為微波設計常用的電磁仿真軟件，可方便建立電路級模型，展開電路拓撲結構設計，并進行參數(shù)調(diào)整優(yōu)化，得到較優(yōu)的噪聲系數(shù)，增益等參數(shù)的仿真結果。

本電路基板采用ε=9.8，厚度為0.381 mm的氧化鋁陶瓷基片，濺射金層厚度為4μm。通過不斷仿真優(yōu)化，輸入采用圖2中的L1（并聯(lián)到地電感）、L2（串聯(lián)電感）組合，輸出采用微帶L型枝節(jié)匹配，可以得到較好的輸入輸出阻抗匹配。級間保持較短微帶線連接，即能得到最大增益設計。同時，仿真設計帶寬大于實際使用帶寬，用于補償仿真計算與實際微組裝過程中引入的頻率偏移。

圖8 放大器AWR仿真模型

從仿真優(yōu)化過程中可以得出，在輸入處的金絲鍵合線L1、L2的長度對放大器的噪聲系數(shù)與輸入駐波影響大，參數(shù)調(diào)節(jié)可以看出，L2對噪聲系數(shù)影響較大，而L1則同時影響噪聲系數(shù)與輸入駐波。在L1長度為0.9 mm，L2長度為0.3 mm時，其噪聲系數(shù)，駐波比仿真最優(yōu)。

經(jīng)過優(yōu)化后，各指標仿真結果如圖9～圖12所示。

圖9 放大器FN仿真曲線

圖10 放大器S21仿真曲線

圖11 放大器S11、S22仿真曲線

圖12 放大器穩(wěn)定系數(shù)K值仿真曲線

3 電路組裝

本電路為典型的基于薄膜工藝的混合集成電路，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導電膠將其粘接在鍍金盒體中，其電路有效面積尺寸為8 mm×6 mm，除去K連接器外形尺寸為12 mm×10 mm×7 mm，如圖13所示。與傳統(tǒng)封裝LNA相比，如國內(nèi)巨田微波的JTLA系列相比，性能指標相當（如表1所述），而尺寸面積可減小10倍以上，小型化成果顯著。

圖13 放大器實物圖

4 電路調(diào)試及測試

LNA微組裝完成后，進行電路調(diào)試，校正二維仿真及微組裝過程帶來的差異性。主要手段采用金絲鍵合進行靜態(tài)工作點與匹配網(wǎng)絡的調(diào)試，配合設計過程中所預留調(diào)試手段（薄膜電阻阻值分階梯設計，匹配網(wǎng)絡調(diào)試小島，金絲鍵合長短等），實現(xiàn)狹小空間里的靈活調(diào)試，特別是鍵合金絲線L1的根數(shù)與長度，對噪聲系數(shù)與輸入駐波比有較大影響。發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，鍵合金絲L1感值越大（即并排到地的鍵合金絲根數(shù)越少，長度越長），噪聲系數(shù)越好，而輸入駐波越差。通過調(diào)試，在L1為兩根，長度約為2 mm時，得到一個噪聲系數(shù)與駐波比相對均衡的結果。

采用噪聲系數(shù)分析儀Agilent N8975A對產(chǎn)品進行了測試，噪聲源為346 A，在12 GHz的ENR為4.97 dB。實測結果如圖14所示，從圖中可以看出在12.25～12.75 GHz頻段內(nèi)噪聲系數(shù)小于1.2 dB。

圖14 放大器FN實測曲線

而與圖9相比，實際比仿真惡化0.5 dB，分析原因首先是來自仿真誤差，采用AWR進行了理想電路級仿真，實際器件與理論模型的偏差會引入一定的不確定性；再者測試時K連接器、波珠以及與微帶線的粘接裝配都會引入額外損耗。具體而言，K連接器與波珠噪聲貢獻約為0.2 dB～0.3 dB；第一級放大器噪聲系數(shù)約為0.8 dB，其中自偏置電阻R3帶來0.1 dB～0.2 dB的噪聲；第2級放大器噪聲系數(shù)約為1.2 dB。

采用矢量網(wǎng)絡分析儀R&S ZVA50對產(chǎn)品進行測試，實測結果如圖15所示，從圖中可以看出，在使用頻段，放大器增益大于22 dB，帶內(nèi)平坦度優(yōu)于1 dB，駐波比優(yōu)于2∶1。測試以上數(shù)據(jù)時，低噪聲放大器工作電壓為+8 V，工作電流為40 mA。

圖15 放大器S參數(shù)實測曲線

表1為本產(chǎn)品與國內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能比較，可見本產(chǎn)品的性能指標已達到國內(nèi)先進，但與國外成熟產(chǎn)品還有一定的距離，將是下一步努力的方向與目標。

表1 本產(chǎn)品與國內(nèi)外同類產(chǎn)品比較

5 結論

基于薄膜制造工藝與微組裝封裝工藝，本文圍繞裸管芯進行AWR電磁仿真優(yōu)化設計，并探究了鍵合金絲的微波特性。通過金絲鍵合匹配調(diào)試，最終實現(xiàn)了一款在12.25～12.75 GHz頻段，噪聲系數(shù)為1.2 dB，整體電路尺寸僅為12 mm×10 mm×7 mm的低噪聲放大器。通過此類LNA設計的探索，即廣泛使用裸芯片，采用鍵合互聯(lián)，并將鍵合金絲用于匹配網(wǎng)絡設計，可大大提高調(diào)試靈活度，有力實現(xiàn)器件小型化，同時對衛(wèi)星通信，電子對抗等整機接收設備小型化也有很好的推動與促進作用。

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梁 棟（1986-），男，漢族，山東泰安人，工程師，射頻與微波專業(yè)，工作單位：中電54所，主要研究微波器件與電路及其小型化，dongl-1986@163.com；

江肖力（1964-），研究員級高級工程師，現(xiàn)任中電54所微組裝中心主任，主要從事于衛(wèi)星通信微波技術與微組裝技術設計與研究。

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

項目來源：國家自然科學基金項目（61404119）

2015-12-04 修改日期：2016-03-25