射频收发机系列——毫米波低噪声放大器设计理论

~ 低噪声放大器（Low Noise Amplifier），简称LNA，是无线接收机系统的重要组成部分（图1），是射频信号在经过接收天线后通过的第一级有源电路。LNA对天线接收到的微弱的射频信号进行放大，同时还要降低自身噪声的引入，从而提高接收机灵敏度。目前，应用于第五代移动通信技术（5G）的射频前端电路为相关研究热点，但由于Sub-6G频段的通信标准种类繁多，频带资源紧张。因此，毫米波频段成为新的开发领域，毫米波射频前端电路也成为了研究热点，毫米波低噪声放大器的研究也就十分有具有时代价值。

低噪声放大器主要指标①噪声系数
[公式]
以dB为单位：[公式]
噪声系数定义了信号经过有源放大器后噪声特性恶化的程度。其中Na为有噪声二端口网络的等效噪声功率，Ga为二端口网络的有效功率增益，Ni为输入的有效噪声功率。若为无量纲噪声系数，其值一定大于1；若使用常用单位dB表达，其值一定大于0dB。在低噪声放大器的设计中，下面这个公式更具有指导意义：
[公式]
其中Rn为网络等效输入电阻，上式表明，可以通过匹配网络设计合适的源阻抗/源导纳，在特定的频率范围实现最低噪声。
[公式]
级联放大器的总噪声系数主要由第一级放大器贡献，另外第一级放大器的增益过小也会显著增大噪声系数。

②回波损耗RL、S11、反射系数Γ之间的关系
回波损耗RL:回波损耗定义为入射功率与反射功率之比, [公式] 。
S11:S参数，S11定义为二端口网络在端口2匹配时，端口1的反射系数。
反射系数Γ:反射系数Γ定义为反射波振幅与入射波振幅的复数比, [公式] 。
综上，可以有以下回波损耗RL与S11的关系：[公式] 。

③1dB压缩点IP1dB
随着放大器的输入功率增大，放大器的输出功率会趋于饱和，当放大器的输出功率比理想线性增益下的输出功率降低1dB时，放大器的输入功率为1dB增益压缩点。

④m阶截点
m阶截点是描述非线性放大电路互调失真程度的指标，定义为m阶互调功率点与基频功率相等时对应的输入和输出功率点。
m阶截点与输入信号功率Pi的关系：
[公式]
[公式]
输入三阶截点IIP3：三阶交调产物的幅度与基频信号幅度相等时的输入功率。
输出三阶截点OIP3：三阶交调产物的幅度与基频信号幅度相等时的输出入功率。
根据经验，三阶截点比1dB压缩点高大约10dB
Pi,s为输入功率灵敏度（可检测的最小输入功率），互调抑制可以由截点延长得出，线段AB的长度就是互调抑制的大小。
[公式]
[公式]

低噪声放大器常用的电路架构
很多参考资料都会进行不同电路架构的公式推导，这里就不多叙述，只定性分析一下不同电路架构的优缺点。
输入端并联电阻式共源放大器
图5给出的低噪声放大器架构，其输入端并联了一个匹配电阻Rp=50Ω，将输入阻抗匹配到Rs=50Ω，实现了宽带匹配。但并联电阻后，由于电阻分压，栅极有效信号只有输入信号的一半，并且引入电阻会使得放大器的噪声性能恶化。
优点：宽带匹配
缺点：①增益下降；②噪声恶化
共栅放大器
共栅放大器具有较低的输入阻抗：
[公式]
当信号频率足够小时，输入阻抗近似可看为实数，通过设计合适的器件尺寸、偏置电流将输入阻抗Rin匹配到源阻抗Rs=50Ω。
优点：引入的噪声较小
缺点：不适合大尺寸的晶体管，寄生电容过大会增大输入阻抗的虚部的影响
并联-串联反馈放大器
图6的低噪声放大器架构在输入端与输出端之间跨接了一个反馈电阻，可以通过设计合适的电阻、器件尺寸，同时实现输入阻抗匹配与输出阻抗匹配。这种架构的放大器在很宽的频带范围内具有相近的输入输出阻抗、电压增益。
优点：①宽带匹配；②输入输出同时匹配；③增益平坦度改善
缺点：①电阻的引入恶化了噪声性能；②增益下降；③与同等噪声系数水平的低噪声放大器相比功耗更大；④实现反馈结构的版图面积更大
源极电感反馈放大器
图7的低噪声放大器架构通过在晶体管源极串联一个电感，提供实部阻抗；电感Lg与晶体管的栅源寄生电容Cgs谐振，使得放大器输入阻抗虚部为0。但由于发生谐振的频带范围较窄，这种架构的放大器只能实现窄带匹配。
优点：不引起噪声性能的恶化，噪声性能好
缺点：窄带匹配，需要结合其它宽带匹配的设计方法

最小噪声匹配与共轭匹配
[公式]
前文中已经介绍了指导低噪声放大器设计的噪声系数公式，其中最佳噪声源阻抗与工作频率、器件工艺等参数有关，很难通过计算将其量化。当源阻抗通过匹配网络变换到最佳噪声源阻抗时，低噪声放大器就实现了最小噪声匹配。共轭匹配将源阻抗通过匹配网络变换到低噪声放大器输入阻抗的共轭时，低噪声放大器就实现了最大功率传输，此时增益较大。因此，低噪声放大器在一般情况下不可能同时实现最小噪声与最大增益。

图10为等噪声系数圆与等增益圆，可以观察得到几个有价值的
①所有等噪声系数圆的圆心都落在原点与Γopt的连线上；
②噪声系数越大，等噪声系数圆半径越大、圆心越靠近原点

稳定性
等噪声放大器的稳定性是非常重要的，在模拟集成电路中，稳定性常常使用增益交点、相位交点、相位裕度等指标进行描述。在射频集成电路中，常常使用二端口网络模型进行S参数的分析。对于任意一个二端口网络，反射系数的模值若大于1（表示反射波幅度比入射波幅度还大），输入阻抗相当于一个负电阻，会引起振荡。一般当工作频率、晶体管尺寸、偏置电流确定后，输入阻抗也就确定了。因此匹配网络的设计好坏直接关系到系统的稳定性。只要源反射系数|Γs|和负载反射系数|ΓL|均小于1，系统的输入反射系数和输出反射系数必定小于1，系统绝对稳定。

[公式]
[公式]
系统的反射系数满足以上两个条件时，系统绝对稳定。

设计流程与设计要求设计流程
图11为芯片设计流程示意框图，一款芯片的设计会经过多次迭代、折衷过程，最终完成各项指标权衡后的设计。

低噪声放大器作为接收机系统的第一级有源电路，在设计中最需关注的指标是噪声系数，其决定了整个接收机系统的噪声性能。低噪声放大器的主要作用是放大天线接收到的微弱信号，因此增益也是关键指标之一，在毫米波电路中单级放大器的增益往往会衰减到10dB以下，因此需要多级放大器实现足够的增益。S11与S22也是保证信号正常传输而不被大量反射的重要指标，在工作频段内两者一般要小于-10dB。线性度指标1dB压缩点和三阶截点等也是衡量低噪声放大器线性放大功率范围的指标。另外也有反向隔离度、功耗、芯片面积等主要指标。

毫米波低噪声放大器设计
在毫米波低噪声放大器的设计中，一般使用多级级联的放大器设计，因此分配每一级的性能参数也是极为重要的。第一级一般要考虑最佳的噪声性能同时要有适当大的增益，第二级、第三级用于补充整体增益的同时要考虑一定的线性度性能。多级级联一般来说会显著增大功耗和面积，性能指标之间的折衷就显得十分重要，也是难点之一。

Sub-6G频带资源日趋紧张，新一代移动通信不得不开发毫米波频段的通信标准，这对射频前端电路提出了更高的要求。一方面，更高的频率对新的集成电路工艺提出了更高的要求，如第二代、第三代半导体工艺GaAs和GaN等等；另一方面也提高了电路设计的难度，为了满足毫米波通信的需求，射频前端芯片需要具有更高的频率、更大的带宽、更大的增益、更低的噪声、更小的面积等等。目前，大量研究集中于Ka波段（26.5-40GHz），后续将更新基于Ka波段的低噪声放大器设计过程。

参考文献
[1]池保勇,余志平,石秉学.CMOS射频集成电路分析与设计.
[2]Huang, Chaoyu et al. "A 19–31GHz K/Ka-band Broadband Low Noise Amplifier with High Gain and High Flatness."2022 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz Applications (IMWS-AMP)(2022): 1-3.
[3]Mollén C, Gustavsson U, Eriksson T, et al. "Impact of Spatial Filtering on Distortion From Low-Noise Amplifiers in Massive MIMO Base Stations". IEEE Transactions on Communications, 2018, 66(12):6050-6057.
[4]S. N. Ali, M. Aminul Hoque, S. Gopal, M. Chahardori, M. A. Mokri and D. Heo, "A Continually-Stepped Variable-Gain LNA in 65-nm CMOS Enabled by a Tunable-Transformer for mm-Wave 5G Communications," 2019 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), Boston, MA, USA, 2019, pp. 926-929, doi: 10.1109/MWSYM.2019.8701023.

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包河区13735433103： MGA - 635P8超低噪声放大器上电后测试NF测得值比标称值大很多?？
鄢话复方： 检查电路,各级静态电流都正常,但做的Demo板的连接线,转接头等的插损没有做测试,如果把LNA前端的插损值在测得的噪声系数值中减去,那么实际LNA芯片的NF是符合芯片标称指标的.MGA-635P8可以用于各种蜂窝应用程序,例如:...

包河区13735433103： 低噪声放大器的应用 - ？
鄢话复方： LNA经历了早期液氦致冷的参量放大器、常温参量放大器的发展过程,随着现代科学技术的高速发展,近几年已被微波场效应晶体管放大器所取代,此种放大器具有尺寸小、重量轻和成本低的优异特性.特别是在射频特性方面具有低噪声、宽频带和高增益的特点.在C、Ku、Kv 等频段中已被广泛的使用,目前常用的低噪声放大器的噪声温度可低于45K.

包河区13735433103： 射频低噪声放大器设计需要注意哪些问题? 对片上电感有什么要求?？
鄢话复方： 首先要选择Fmin合适的管子,计算判断稳定性,若不稳定,换管子. 输入肯定适配,要看看需要加隔离器不. 输出要匹配和,保证增益.

包河区13735433103： 请问AD603AQ和AD603AR有什么区别? - ？
鄢话复方： AD603AQ和AD603AR只是在封装上的区别,前者是双列直插式,后者是贴片式,AD603A系列的温度都是在—40摄氏度到+85摄氏度之间,AD603还有一个系列是AD603S,它的温度是在—55摄氏度到+125摄氏度之间.

包河区13735433103： 推荐一款用于自动增益控制的IC... - ？
鄢话复方： 推荐采用AD603.AD603是一款低噪声、电压控制型放大器,用于射频(RF)和中频(IF)自动增益控制(AGC)系统.它提供精确的引脚可选增益,90 MHz带宽时增益范围为-11 dB至+31 dB,9 MHz带宽时增益范围为+9 dB至+51 dB.用一个外部电阻便可获得任何中间增益范围.折合到输入的噪声谱密度仅为1.3 nV/√Hz,采用推荐的±5 V电源时功耗为125mW.

包河区13735433103： BS3A丝印是什么 高频管(射频管) 低噪放大器 - ？
鄢话复方： 从系统的噪声系数 noise figure 和信噪比来考虑的,对 noise figure 系统噪声影响最大和起决定作用的是混频器之前的器件,也就是LNA和BPF(带通),lna噪声系数要尽量小,bpf插损要尽量小.具体可以查噪声系数 noise figure 的公式来理解.接收机前段接收到的的信号是小,但是不见得就要用很大增益的管子,提高增益是在中频段;放大器的噪声大了,会影响噪声系数,但是放大器的位置决定影响程度,中频放大器,对噪声的贡献很小,但是混频前,影响很大

包河区13735433103： 低噪声放大器和功率放大器的区别是什么 - ？
鄢话复方： 低噪声放大器有采用场效应管或双极型晶体管构成的,但是采用JFET具有较好的低噪声性能. 大功率放大器也有采用场效应管或双极型晶体管构成的,在数瓦功率的微波放大时可用GaAs-MESFET;但是在很大功率、频率又很高的场合,往往...

包河区13735433103： VSWR在直放站里面有什么用? - ？
鄢话复方： VSWR中文意思为电压驻波比,该指标主要影响射频输出质量,也就是通信行业所说的Qos,通常情况下该指标大于1.7就会使通话产生杂音. 直放站的作用是通过低噪声放大给射频信号增加“能量”,使之能覆盖更大的距离或面积,所以直放站本身不会生出任何与射频相关的信息. 由上述分析可以说明,你可以把直放站当成一个馈线的接头来理解,所以VSWR对直放站本身的工作不产生影响,只会对信号源产生影响.

包河区13735433103： 什么是MMIC?TWT? - ？
鄢话复方： 全称:(microwave and milimeter ic) MMIC是单片微波集成电路的缩写,是在半绝缘半导体衬底上用一系列的半导体工艺方法制造出无源和有源元器件,并连接起来构成应用于微波(甚至毫米波)频段的功能电路.单片微波集成电路包括多...

包河区13735433103： 什么是射频前端？
鄢话复方： 靠近天线部分的是射频前端,包括发射通路和接收通路. 发射通路东西不多,功率放大、滤波之类的. 一般讲得比较多的是接收通路,包括低噪声放大器(LNA)、滤波器等器件,包括增益、灵敏度、射频接收带宽等指标,要根据产品特点进行设计,目的是保证有用的射频信号能完整不失真地从空间拾取出来并输送给后级的变频、中频放大等电路.