一个集成滤波功能的低噪声放大器设计原理图

研究意义

随着5G的发展，毫米波通信成为一项关键技术，前端芯片是5G毫米波系统的核心组成之一。GaN工艺由于具有高频率、高功率、高效率等特性是5G毫米波芯片的一个很好选择，然而毫米波GaN射频前端芯片设计在输出功率、效率和系统噪声等方面面临一系列挑战。同时，滤波器在前端中也有着重要的作用，在接收机下变频时，镜像频段处的信号会变频到中频带处，引入干扰，此时滤波器可用于抑制镜像频段处的干扰。而在常见的前端设计中，低噪声放大器和滤波器通常是分开设计的，它们的互连会带来额外的损耗，单独设计在集成电路上的滤波器则会占用较多的面积，不利于电路小型化。  

本文工作

为了解决上述问题，本文提出了一个集成滤波功能的低噪声放大器，该放大器将高通滤波电路融入到阻抗匹配网络中，实现了对低频干扰信号的抑制。提出的电路原理图如图1(a)所示，采用三级放大结构，由于放大器的噪声系数主要由第一级决定，输入匹配电路采用低噪声系数匹配，用以获得尽可能低的噪声系数。级间以及输出匹配由电容和电感构成L-C-L的π型网络，实现高通滤波阻抗匹配。电路采用150-nm GaN-on-SiC工艺实现，具体版图如图1(b)所示，面积约为1.65×1.15 mm2。  

(a)

(b) 图1 集成滤波功能的低噪放 (a) 原理图；(b) 版图  

本文的创新点如下：

（1）级间匹配网络设计为π形高通滤波阻抗匹配网络，该网络由两个并联电感和一个串联电容组成（L-C-L），在实现复阻抗匹配的同时实现高通滤波响应。

（2）输出匹配中，使用L-C-L-C-L网络，由两个级联的L-C-L的π型网络构成，合并中间的两个并联电感，并由串联LC电路来代替这个电感，使得在低频处引入一个传输零点，在不加大电路尺寸的情况下，可以有效的抑制镜像频段或卫星频段上的杂波。

实验结果

本文对所提出的低噪声放大器进行了测试验证。仿真和测试的结果如图3所示，测试结果显示，该电路工作在12~18.2 GHz频段，频段内最大增益为21.7 dB，3 dB通带为11.6~18.9 GHz，在该频段内可以实现1.5~1.9 dB的噪声系数，整体的直流功耗为530 mW。带外在10 GHz和8 GHz以下频段分别有34 dBc和64 dBc以上的抑制效果，在具有良好的选择性。在通带内，线性度IP1dB大于-7dBm。与先前发表的论文进行了比较，该设计实现了良好的低噪声放大器性能和高阻带抑制。  

（a）

(b)

(c) 图3 芯片仿真和测试结果 (a) S参数；(b) 噪声系数；(c) 测试的输入输出1dB 压缩点      

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

编辑：黄飞