研究意義

隨著5G的發展，毫米波通訊成為一項關鍵技術，前端晶片是5G毫米波系統的核心組成之一。GaN工藝由於具有高頻率、高功率、高效率等特性是5G毫米波晶片的一個很好選擇，然而毫米波GaN射頻前端晶片設計在輸出功率、效率和系統噪聲等方面面臨一系列挑戰。同時，濾波器在前端中也有著重要的作用，在接收機下變頻時，映象頻段處的信號會變頻到中頻帶處，引入干擾，此時濾波器可用於抑制映象頻段處的干擾。而在常見的前端設計中，低噪聲放大器和濾波器通常是分開設計的，它們的互連會帶來額外的損耗，單獨設計在積體電路上的濾波器則會佔用較多的面積，不利於電路小型化。

本文工作

為了解決上述問題，本文提出了一個集成濾波功能的低噪聲放大器，該放大器將高通濾波電路融入到阻抗匹配網路中，實現了對低頻干擾信號的抑制。提出的電路原理圖如圖1(a)所示，採用三級放大結構，由於放大器的噪聲係數主要由第一級決定，輸入匹配電路採用低噪聲係數匹配，用以獲得儘可能低的噪聲係數。級間以及輸出匹配由電容和電感構成L-C-L的π型網路，實現高通濾波阻抗匹配。電路採用150-nm GaN-on-SiC工藝實現，具體版圖如圖1(b)所示，面積約為1.65×1.15 mm²。

(a)

(b)

圖1 集成濾波功能的低噪放 (a) 原理圖；(b) 版圖

本文的創新點如下：

（1）級間匹配網路設計為π形高通濾波阻抗匹配網路，該網路由兩個並聯電感和一個串聯電容組成（L-C-L），在實現復阻抗匹配的同時實現高通濾波響應。

（2）輸出匹配中，使用L-C-L-C-L網路，由兩個級聯的L-C-L的π型網路構成，合併中間的兩個並聯電感，並由串聯LC電路來代替這個電感，使得在低頻處引入一個傳輸零點，在不加大電路尺寸的情況下，可以有效的抑制映象頻段或衛星頻段上的雜波。

實驗結果

本文對所提出的低噪聲放大器進行了測試驗證。仿真和測試的結果如圖3所示，測試結果顯示，該電路工作在12~18.2 GHz頻段，頻段內最大增益為21.7 dB，3 dB通帶為11.6~18.9 GHz，在該頻段內可以實現1.5~1.9 dB的噪聲係數，整體的直流功耗為530 mW。帶外在10 GHz和8 GHz以下頻段分別有34 dBc和64 dBc以上的抑制效果，在具有良好的選擇性。在通帶內，線性度IP1dB大於-7dBm。與先前發表的論文進行了比較，該設計實現了良好的低噪聲放大器性能和高阻帶抑制。

（a）

(b)

(c)

圖3 晶片仿真和測試結果 (a) S參數；(b) 噪聲係數；(c) 測試的輸入輸出1dB 壓縮點

Hui-Yang Li, Jin-Xu Xu & Xiu Yin Zhang. A Ku-band image-rejection filtering LNA MMIC in 150-nm GaN-on-SiC technology. Sci China Inf Sci，doi: 10.1007/s11432-023-3849-x

閱讀原文按鈕，免費下載。