基于GaN HEMT宽带低噪声放大器设计

摘要： 为了满足不同通信标准的要求，利用氮化镓高电子迁移率晶体管器件设计了一个高线性度宽频带低噪声放大器。低噪声放大器采用两级电阻负反馈结构，利用集总参数元件和微带线对低噪声放大器的输入和输出匹配网络进行优化，实现低噪声、高线性度、宽频带和小回波损耗。在1～3 GHz频率范围内,仿真结果表明，低噪声放大器的噪声噪声系数为2.39～3.21 dB，输入端反射系数小于-10.6 dB，输出端反射系数小于-17.9 dB，增益为23.74～25.68 dB，增益平坦度小于±0.97 dB，1 dB压缩点输出功率大于24.12 dBm，三阶交调截取点输出功率大于36.55 dBm。实际测试增益为22.08～26.12 dB，基本符合仿真结果。

0 引言

低噪声放大器被广泛用于无线通信、雷达、卫星通信^[1]，是射频接收机前端的重要组成部分，对整个接收机系统的性能起着关键的作用。如图1所示，低噪声放大器作为射频接收机前端的第一个有源电路模块，其噪声系数、线性度和增益将影响接收机的灵敏度和动态范围，从而影响整个系统的性能^[1-2]。近年来，无线通信快速发展，各种通信标准出现，对低噪声放大器的频段和线性度提出了不同的要求。一个宽频带的低噪声能满足不同的通信标准的需求，减小低噪声放大器的数量要求，成为研究的热点。各种宽带低噪声放大器被研究者和学者提出，宽带低噪声放大器常见方法有：共栅结构、分布式结构、电阻负反馈结构、增益补偿匹配结构、平衡式结构、有损匹配结构等^[3-4]。电阻负反馈电路结构简单、低功耗等特点，成为低成本宽带低噪声放大器最常见方法。

半导体材料作为集成电路发展的基础，在过去的几十年得到飞速发展。其中主要可以分为三个阶段：以硅和锗等单晶体为代表的第一代半导体材料；以砷化镓和磷化铟等化合物为代表的第二代半导体材料；以氮化镓和碳化硅等宽带隙为代表的第三代半导体材料^[5]。1993年，基于第三代半导体GaN 的HEMT被发明后^[6]，GaN在射频微波领域得到广泛的应用。由于GaN HEMT器件拥有宽带隙、高饱和载流子速度和优异的导热等特性，被广泛应用于在微波功率电路^[2]。其后，GaN HEMT被证明拥有低的噪声特性，并被应用在低噪声放大器领域^[7]。

本文使用GaN HEMT器件设计了两级电阻并联负反馈低噪声放大器，并通过仿真和测试探索GaN低噪声放大器的噪声和线性度等特性。