D波段低噪声放大器(LowNoiseFigure,LNA)的国内外发展现状李力2012301510038

西南交通大学本科毕业设计（论文）第页第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”、“120GHzSiGe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章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章各类D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。InPHEMT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3.2120GHzSiGe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IBM8HP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IBM8HP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M1MQ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。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10dB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3.3155GHz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InPHEMTMMIC，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MMICLNA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155GHzLNA。图4就是一个155GHz三级低噪声放大器。它每段都采用了一个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=1.4VId=25mA）。这说明在153GhzOV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MMLCInPHEMT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220GHz和除了可用增益的实现与InPHEMT技术在不久的将来。图4：155GHz三级低噪声放大器图5:增益和输入/输出返回损失曲线3.4180GHz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180GHz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MMICLNA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。图6：单片低噪声放大器的模拟增益图7：LNAMMIC的噪声系数图8：35纳米InPMMIC低噪声放大器 结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。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。

参考文献BehzadRazavi,模拟CMOS集成电路设计,西安交通大学出版社ThomasH.Lee，CMOS射频集成电路设计，电子工业出版社低噪声放大器，百度百科，维基百科M.Nishimoto,M.Sholley,HIGHPERFORMANCED-BAND(118GHz)MONOLYTHICLOWNOISEAMPLIFIERIEEEElectronDeviceLettersL.D.Nguyen,et.al.“6508,self-alignedgatepseudomorphicA10.48In0.52AsGa0.21n0.8AsHighElectronMobilityTransistors,”IEEEElectronDeviceLettersM.Wojtowicz,et.al.,“305GHzffUsing0.1pmGate-LengthGradedChannelPseudomorphicInxGal-xAs/InO.52A10.48AHsEMTs”,IEEEElectronDeviceLettersLai,R.,et.al.,“155GHzMMICLNAswith12dBgainfabricatedusingahighyieldInPHEMTMMICprocess.”MicrowaveJournal,Euro-GlobalEdition,Duh,K.H.G.,et.al.,“W-BandInGaAsHEMTlownoiseamplifiers,”1990IEEEMTT-SInternationalMicrowaveSymposium,Dallas,TX,USAWang,H.,et.al.,“FullypassivatedW-bandInAlAs/InGaAs/InPmonolithiclownoiseamplifiers.”,IEEEProceedings-Microwaves,AntennasandPropagation,OctEvgenyShumakher，Towardsa120GHzSiGeLNAformillimeter-waveimaging，IEEEElectronDeviceLettersA.Tomkins,P.Garcia,andS.P.Voinigescu,"APassiveWbandImagerin65nmBulkCMOS,"2009IEEECSICL.Gilreath,V.Jain,Y.Hsin-Cheng,Z.Le,P.Heydari,"A94-GHzpassiveimagingreceiverusingabalancedLNAwithembeddedDickeswitch,"2010IEEERFICJ.W.May,andG.M.Rebeiz,"DesignandCharacterizationofW-BandSiGeRFICsforPassiveMillimeter-WaveImaging,"IEEETrans.MicrowaveTheory&TechE.R.Brown,“Fundamentalsofterrestrialmillimeter-waveandTHzremotesensing,”Int.J.HighSpeedElectron.SystM.GordonandS.P.Voinigescu,“AnInductor-Based52-GHz0.18umSiGeHBTCascodeLNAwith22dBGain,”Solid-StateCircuitsConferenceESSCIRCR.Lai(l),H.Wang(l)，DbandMMlCLNAswith12dBGainat155GHzFabricatedonaHighYieldInPHEMTMMlCProductionProcess，IEEEElectronDeviceLetters,M.Wojtowiczet.al.,"305GHzfTUsing0.lju-nGate-LengthGradedChannelPseudomorphicInxGal-xAs/ln0.52A10.48AsHEMTs",IEEEElectronDeviceLetters,L.D.Nguyenet.al."650Aself-alignedgatepseudomorphicA10.481n0.52AsGa0.21n0.8AsHighElectronMobilityTransistors,"IEEEElectronDeviceLetters,P.M.Smithet.al.,W-bandHighEfficiencyInP-basedPowerHEMTwith600GHzFmax"IEEEMicrowaveandGuidedLett.R.Laiet.al.,"Amonolithicallyintegrated120GHzInGaAs/lnAIAs/lnPHEMTamplifier,"IEEEMicrowaveandGuidedWaveLett.,H.Wang,et.al.,"A140-GHzmonolithiclownoiseamplifier,"IEEEMicrowaveandGuidedWaveLettP.D.Chowet.al,"W-band&D-bandLowNoiseAmplifiersUsing0.1pmPseudomorphicInAIAs/lnGaAs/lnPHEMTs",Proc.1992Int.MicrowaveSymp.H.Wanget.al.,"FullypassivatedW-bandInGaAs/lnAIAs/lnPmonolithiclownoiseamplifiers",IEEProceedingsMicrowave,AntennasandPropagation,R.Laiet.al.,"0.15pmInGaAs/AIGaAs/GaAsHEMTProductionProcessforHighPerformanceV-bandPowerMMICs",GaAsICSymp.M.Biedenbenderet.al.,"APowerHEMTProductionProcessforHighEfficiencyKa-bandMMlCPowerAmplifiers",GaAsICSymposiumDigest,PekkaKangaslahti,LowNoiseAmplifierfor180GHzFrequencyBand，IEEEElectronDeviceLetters,D.Dawson,L.Samoska,A.K.Fung,K.Lee,R.Lai,R.Grundbacher,P.H.Liu,R.Raja,“BeyondG-band:a235GHzInPMMICamplifier,”IEEEMicrowaveandComponentsLetters,A.Tessmann,“220-GHzmetamorphicHEMTAmplifierMMICsforHigh-ResolutionImagingApplications,”IEEEJournalofSolid-StateCircuits,S.Weinreb,T.Gaier,R.Lai,M.Barsky,Y.C.LeongandL.Samoska,“High-Gain150-215-GHzMMICAmplifierwithIntegralWaveguideTransitions”IEEEMicrowaveTheoryandTechniquesComponentsLettersB.Lambrigtsen,A.Tanner,T.Gaier,P.KangaslahtiandS.Brown,“PrototypingGeoSTARforthePATHMission”ProceedingsNASAScienceTechnologyConferenceW.R.Deal,V.Radisic,X.B.Mei,W.Yoshida,P.H.Liu,J.Uyeda,M.Barsky,T.Gaier,A.Fung,L.Samoska,R.Lai,“Demonstrationofa270-GHzMMICAmplifierusing35-nmInPHEMTTechnology”IEEEMicrowaveandComponentsLettersP.Kangaslahti,W.R.Deal,X.B.MeiandR.Lai,“BroadbandCharacterizationofa100to180GHzAmplifier”TobepresentedinIEEEAerospaceConferenceRoeeBenYishay，A122-150GHzLNAwith30dBGainand6.2dBNoiseFigureinSiGeBiCMOSTechnology，IEEEElectronDeviceLetters,E.Öjefors,F.Pourchon,P.ChevalierandU.R.Pfeiffer,"A160-GHzLowNoiseDownconverterinaSiGeHBTTechnology,"EuropeanMicrowaveWeekConfE.Dacquay,A.Tomkins,K.Yau,E.Laskin,P.Chevalier,A.Chantre,B.Sautreuil,andS.P.Voinigescu,"D-BandTotalPowerRadiometerPerformanceOptimizationinanSiGeHBTTechnology,"IEEETrans.MicrowaveTheoryandTech.A