D波段低噪声放大器(Low Noise Figure, LNA)的国内外发展现状 李力 2012301510038.doc

武汉大学 题目 D 波段低噪声放大器 Low Noise Figure LNA 的国内外 发展现状 专 业 电子科学与技术 学 院 物理科学与技术 年 级 2012 级 学习形式 全日制 教育 学 号 2012301510038 论文作者 李力 论文指导老师 何进 指导老师职称 副教授 武汉大学继续教育学院 全日制 完成时间 2016 年 1 月 11 日 第 II 页 共 16 页 摘 要 LNA 即低噪声放大器 是噪声系数很低的放大器 一般用作各类无线电接收机的高 频或中频前置放大器 比如手机 电脑或者 iPAD 里面的 WiFi 以及高灵敏度电 子探测设备的放大电路 因为所有后面的处理都是基于 LNA 放大后的信号进行的 所以有一个低噪声的模拟放大器是至关重要的 D 波段频率范围为 110GHz 170GHz 波长范围 2 73 1 76mm 属于毫米波 极高频 级波段 而毫米波单片集成电路因 为其相对于传统混合电路有着可靠性高 重量小 体积小等优点 允许其低成本的 大批量生产 而有着显著的优势 D 波段低噪声放大器在雷达 智能弹药 发射器 接收器以及辐射系统等方面有其独特的发展 在本文中 我们将介绍一些 d 波段低 噪音放大器以及它们在世界上目前的进展 关键词 LNA D 波段 低噪声放大器 第 III 页 共 16 页 目 录 摘 要 III 第 1 章 绪 论 1 1 1 本论文的背景和意义 1 1 2 本论文的主要方法和研究进展 1 1 3 本论文的主要内容 1 第 2 章 低噪声放大器的简介 2 2 1 低噪声放大器 1 第 3 章各类 D 波段低噪声放大器介绍 3 3 1 高性能 D 波段 118GHZ 低噪声放大器 3 3 2 120GHZ SIGE低噪声放大器和毫米波成像 4 3 3 155GHZ有史以来最高频率固态放大器 5 3 4 180GHZ的低噪声放大器 7 结 论 8 参考文献 10 第 1 页 共 16 页 第 1 章 绪 论 1 1 本论文的背景和意义 由于低噪声放大器在各类收发器中起着极其关键的作用 而 D 波段的低噪声放大器整体发 展现状在国内各大学术站点中又少有谈及 固本文主要收集国内外 D 波段低噪声放大器实例 并展现其现状 1 2 本论文的主要方法和研究进展 本论文主要从国内外各大学术站点中整合收集有关 D 波段低噪声放大器研究论文 经过整 合汇集得出 1 3 本论文的主要内容 本文主要就四个频率上的 D 波段低噪声放大器的研究进行讨论 简单的展示了各类放大器的基 本结构以及大致性能 其中包括 高性能 D 波段 118GHz 低噪声放大器 120GHz SiGe 低 噪声放大器 155GHz 有史以来最高频率固态放大器 180GHz 的低噪声放大器 第 2 页 共 16 页 第第 2 章章 低噪声放大器的简介低噪声放大器的简介 2 1 低噪声放大器 噪声系数很低的放大器 一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器 以 及高灵敏度电子探测设备的放大电路 在放大微弱信号的场合 放 低噪声放大器 大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重 因此希望减小这种噪声 以提高输出的 信噪比 由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数 F 来表 示 理想放大器 的噪声系数 F 1 0 分贝 其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比 现代的低噪 声放大器大多采用晶体管 场效应晶体管 微波低 低噪声放大器 噪声放大器则采用变容二极管参量放大器 常温 参放的噪声 温度 Te 可低于几十度 绝对温度 致冷参量放大器可达 20K 以下 砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大 器的应用已日益广泛 其噪声系数可低于 2 分贝 放大器的噪声系数还与晶体管的 工作状态以及信源内阻有关 为了兼顾低噪声和高增益的要求 常采用共发射极一 共基极基联的低噪声放大电路 第 3 页 共 16 页 第第 3 章章 各各类类 D 波段低噪声放大器介绍波段低噪声放大器介绍 3 1 高性能 D 波段 118GHz 低噪声放大器 在线性的小信号等效电路中 通过对合适的小信号器件的测量 我们可以得到 HEMT 器件的参数约是从 0 5GHz 到 50GHz 而这个模型通过进一步的优化可以达到 94GHz 但是要达到 118GHz 的运行参就需要获得对应的元件 栅极 漏极和源极电感 这一点是十分 困难的 毫米波单片集成 毫米波 电路提供显著优势高可靠性 重量轻 体积小传统混合电 路 这些优点允许低成本的大批量生产没有性能退化 低噪声放大器是一个重要的组成部分雷 达 智能弹药 以及接收器链辐射系统 InP HEMT 技术独特地使高性能的发展低噪声放大器在 1 内由于以其高频率能力 升 如图 1 所示 这是一个单端带宽 118GHz 的低噪声放大器 大小为 3 4 毫米 1 6 毫米 每段 总栅外围都是 40 微米的四指高电子迁移率晶体管 HEMT 这样就保证了一个简单的高阻抗与 低阻抗的级联线性微带匹配网络的实现 为了进一步提高二维匹配网络的精度就需要射频旁路 对于宽带低噪声放大器 利用以前的兰格耦合器来实现损耗的返回 再利用分流电阻器和电容 网络来使放大器在低频时稳定 在喷气推进实验室 美国帕萨迪纳喷气推进实验室 上测量晶圆发现其频率是有限的 但 是放大器真正的带宽还是没有被确定 这需要设备仪器的改进 通过进一步改进设备型号 可 以进一步的提高这些预期结果 图 1 单端带宽 118GHz 低噪声放大器布局图 芯片尺寸 3 4 毫米 1 6 毫米 第 4 页 共 16 页 3 2 120GHz SiGe 低噪声放大器和毫米波成像 许多放大器的拓扑结构都是依靠一些专业书籍中所提供的结构来构建的 而在 W 波段频 率以上最常见的就是共射极 共基极以及共源共栅 这些结构有着各自的优缺点 经过理论研 究和实际的实验后发现共源共栅的配置是利用率最好的一种 而经过各种优化 才能达到一种 比较良好的效果 图 2 就是一个毫米波部分的共源共栅放大级 图 2 毫米波部分的共源共栅放大级 HBT 晶体管被发现的偏置峰值功率增益点 约 1 3 毫安 微米 最佳增益 带宽权衡为 4 微 米 而两个输入输出射频匹配电路被作为单杆配置 主要关注被引入的损耗 在理论探究后得 到的噪音图显示 在运行频率下 最佳噪声系数输入匹配点是相当接近最佳功率增益匹配点的 因此只有很少的妥协增益 通过采用常规的 IBM 8HP 的金属堆栈并附五种金属层 M1 M2 MQ LY 和 AM 一般来说 所有的射频信号都是在 AM 层 而基层则是 MQ 它作 为一个电容器在最小的要求下 通过 IBM 8HP 的金属 绝缘体 金属电容器 PDK 下 实现了 1 5 个功率解耦电容 而几个大的 MOS 电容器被放置在较低频率下力解耦的供应线上 这种并联是 靠一个自定义的 MIM 电容器上 通过使用三低金属 令 M2 和 M1 MQ 短路接地 来得以实现 的 而所有的被动结构就以 HFSS 在最后的配置中来设计 而图 3 就是一个三级放大器和使用 这种共源共栅的模拟 测量 S 参数图 第 5 页 共 16 页 实现在一个 120 兆赫放大器基本增益块标准的 IBM 过程提出了 小信号性能的特点 发现是在 良好的与模拟预测 即 一个单一的共源共栅级提供接近 10 dB 的增益 在 5 毫安的电流从 3 伏电源供电 基于这一成熟的预测能力 优化 增益带宽 LNA 的设计将 未来的测量将包括 噪声和大信号表征 图 3 三级放大器以及共源共栅的模拟 测量 S 参数图 3 3 155GHz 有史以来最高频率固态放大器 在逐渐的研发过程中 逐渐找到了一种性能强大的高频率固态放大器 这是一种 0 1 钝化 的 InP HEMT MMIC 其频率可以高达 200GHz 甚至是更高 而这一成果还被证明其晶圆性能以 及晶片平均 GMP 超过其他所有的 2 英寸直径的晶圆 达到约 1100ms mm 误差 44ms 而以此 工艺制造的 155GHz 具有 12dB 增益的有史以来最高频率的固态放大器就是以下结构 在对 MMIC LNA 的逐渐开发中 已经探索了 35GHz 160GHz 的波段范围 而其中就包括 了第一次的迭代 155GHz LNA 图 4 就是一个 155GHz 三级低噪声放大器 它每段都采用了一个 第 6 页 共 16 页 30 微米的四指装置 这个芯片曾在 G 波段 140GHz 220GHz 中通过 3mil 的石英探针微带波 导测试 测得的回波损耗为 2 5dB 而这个结果要比在 152 到 168GHz 的 15dB 要好得多 而图 5 就是放大器从 148GHz 158GHz 的增益和输入 输出返回损失曲线 这个图表示这个放大器在 150 153GHz 有 12 5dB 的峰值增益 而且在这一区域类 芯片的直流电力消耗只有 35mW Vd 1 4V Id 25mA 这说明在 153Ghz OV 和 ID 25mA 的偏置条件下 其峰值降低 了 2 分贝到 10 5 分贝 我们已经描述了一个三 MMLC InP HEMT 低噪声放大器的研制工作在 155 兆赫与 12 5 分贝增益 这放大器是我们知识的最好 是最高的三端放大器所显示频率到目前为止 基于所取得的成果 我们项目 另有低噪声放大器工作在 220 GHz 和除了可用增益的实现与 InP HEMT 技术在不久 的将来 图 4 155GHz 三级低噪声放大器 第 7 页 共 16 页 图 5 增益和输入 输出返回损失曲线 3 4 180GHz 的低噪声放大器 在天气预报中 对大气的湿度廓线的测量是十分重要的 而测量这种廓线的方法就是通 过水分子的共振频率来进行的 这就需要 183GHz 左右的频率放大器 我们证明了一个因素减 少噪声 MMIC 低噪声放大器在 180 GHz 频段的温度 这结果通过在 InP 的显着改善 使在过去 的几年中取得了 MMIC 工艺 MMIC 低噪声放大器采用低直流电源具有高增益使我们设计低噪 声和低功耗接收器的大阵列 如北斗综合稀疏孔径辐射计 这种低噪声放大器是基于在 2 毫寸的基板上布置微带传输线这种技术 这个设计使用了 15 微米栅极宽度 30 微米总栅极的两指 HEMT 器件 对于三级低噪声放大器模拟实验表明从 60GHz 200GHz 高频连续增益为 15dB 图 6 噪声系数在 100GHz 180GHz 为 2 5dB 图 7 其中每个微带匹配网络都是使用的 ADS 动量电磁仿真工具 而 MMIC LNA 包括了匹配的低阻 抗输入 第一晶体管输入以及最佳的噪声匹配传输线 栅极偏置线也是匹配的一部分 第二中 间体的栅极和漏极线的电阻器匹配下一个高阻抗线连接的晶体管阶段 为了减少耦合效应 漏 极偏压线在栅极偏置线相反的一侧 在较低的频率包括电容和电阻稳定放大器漏极偏压线与 偏置网络连接在一起 第一栅极偏压为左分开 而第二和第三栅极偏置线一起加入 此安排使优化通过设置第一偏置 LNA 的噪声系数阶段独立于二 第三阶段低噪声放 大器 完整的 MMIC 设计大小为 900 560um 2 图 8 就是处理后的 LNA 的照片 第 8 页 共 16 页 图 6 单片低噪声放大器的模拟增益 图 7 LNA MMIC 的噪声系数 第 9 页 共 16 页 图 8 35 纳米 InP MMIC 低噪声放大器 结结 论论 从我们所介绍的四种 D 波段低噪声放大器可以看到 D 波段低噪声放大器被运 用于各个方面 雷达 智能弹药 发射器 接收器甚至图像处理 天气预测等各个 领域都有 D 波段低噪声放大器的参与 这说明其运用的广泛一面 而对其的研究却 又有所保留 国内的文献也是少有谈及 这同时也说明它的相对狭窄的一面 在这 广泛与狭窄之中更说明它有着更深的发展前景 如今在对高频率波段的放大器的探索中 世界上也研发了各式各样的低噪声放 大器来满足各式各样的需求 而我们以上所介绍的四种 D 波段低噪声放大器也只是 算是其中的个例 就 D 波段低噪声放大器的发展现状来说 这里面还有许多值得探 讨与追寻的地方 而世界各地的发现也有着许多共通之 也正是这些共通之处 指 引着下一步的发展方向 第 10 页 共 16 页 我们可以从开发人员的思路中清楚的发现 他们是一步步跟随上一步研究的脚 步 通过不断的测试与实验 理论与探索相结合 研发出新的科技 俗话说量变改 变质变 只有通过大量不断的探索 科学才能在更深一层中进步 第 11 页 共 16 页 参考文献 1 Behzad Razavi 模拟 CMOS 集成电路设计 西安交通大学出版社 2 Thomas H Lee CMOS 射频集成电路设计 电子工业出版社 3 低噪声放大器 百度百科 维基百科 4 M Nishimoto M Sholley HIGH PERFORMANCE D BAND 118 GHz MONOLYTHIC LOW NOISE AMPLIFIER IEEE ElectronDevice Letters 5 L D Nguyen et al 650 8 self aligned gatepseudomorphic A10 48In0 52AsGa0 21n0 8AsH ighElectron Mobility Transistors IEEE ElectronDevice Letters 6 M Wojtowicz et al 305 GHz ff Using 0 1pm Gate Length Graded Channel Pseudomorphic InxGal xAs InO 52A10 48AHs EMTs IEEE Electron Device Letters 7 Lai R et al 155 GHz MMIC LNAs with12 dB gain fabricated using a high yield InP HEMT MMIC process Microwave Journal Euro Global Edition 8 Duh K H G et al W Band InGaAs HEMT low noise amplifiers 1990 IEEE MTT S International Microwave Symposium Dallas TX USA 9 Wang H et al Fully passivated W band