《電子技術應用》
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基于GaN HEMT寬帶低噪聲放大器設計
2020年電子技術應用第7期
王華樹,肖知明,馬 偉,胡偉波
南開大學 電子信息與光學工程學院,天津300350
摘要: 為了滿足不同通信標準的要求,利用氮化鎵高電子遷移率晶體管器件設計了一個高線性度寬頻帶低噪聲放大器。低噪聲放大器采用兩級電阻負反饋結構,利用集總參數元件和微帶線對低噪聲放大器的輸入和輸出匹配網絡進行優化,實現低噪聲、高線性度、寬頻帶和小回波損耗。在1~3 GHz頻率范圍內,仿真結果表明,低噪聲放大器的噪聲噪聲系數為2.39~3.21 dB,輸入端反射系數小于-10.6 dB,輸出端反射系數小于-17.9 dB,增益為23.74~25.68 dB,增益平坦度小于±0.97 dB,1 dB壓縮點輸出功率大于24.12 dBm,三階交調截取點輸出功率大于36.55 dBm。實際測試增益為22.08~26.12 dB,基本符合仿真結果。
中圖分類號: TN722.3
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.191394
中文引用格式: 王華樹,肖知明,馬偉,等. 基于GaN HEMT寬帶低噪聲放大器設計[J].電子技術應用,2020,46(7):60-64.
英文引用格式: Wang Huashu,Xiao Zhiming,Ma Wei,et al. Design of broadband low noise amplifier based on GaN HEMT[J]. Application of Electronic Technique,2020,46(7):60-64.
Design of broadband low noise amplifier based on GaN HEMT
Wang Huashu,Xiao Zhiming,Ma Wei,Hu Weibo
College of Electronic Information and Optical Engineering,Nankai University,Tianjin 300350,China
Abstract: A high linearity wideband low noise amplifier(LNA) was designed using a gallium nitride(GaN) high electron mobility transistor(HEMT) devices to meet the requirements of different communication standards. The LNA uses a two-stage resistor negative feedback structure. In order to achieve low noise, high linearity, wideband and small return loss, the lumped parameter components and microstrip line are used to optimize the input and output matching network of LNA. In the frequency range of 1 to 3 GHz, the simulation results show that the noise figure of the LNA is 2.39~3.21 dB, the input reflection coefficient is less than -10.6 dB, the output reflection coefficient is less than -17.9 dB, the gain is 23.74~25.68 dB, the gain flatness is less than ±0.97 dB, the output 1 dB compression point(OP1dB) is greater than 24.12 dBm, and the output third-order intercept point(OIP3) is greater than 36.55 dBm. The actual test gain is 22.08~26.12 dB, which is basically in accordance with the simulation results.
Key words : low noise amplifier;gallium nitride;high electron mobility transistor;negative feedback

0 引言

    低噪聲放大器被廣泛用于無線通信、雷達、衛星通信[1],是射頻接收機前端的重要組成部分,對整個接收機系統的性能起著關鍵的作用。如圖1所示,低噪聲放大器作為射頻接收機前端的第一個有源電路模塊,其噪聲系數、線性度和增益將影響接收機的靈敏度和動態范圍,從而影響整個系統的性能[1-2]。近年來,無線通信快速發展,各種通信標準出現,對低噪聲放大器的頻段和線性度提出了不同的要求。一個寬頻帶的低噪聲能滿足不同的通信標準的需求,減小低噪聲放大器的數量要求,成為研究的熱點。各種寬帶低噪聲放大器被研究者和學者提出,寬帶低噪聲放大器常見方法有:共柵結構、分布式結構、電阻負反饋結構、增益補償匹配結構、平衡式結構、有損匹配結構等[3-4]。電阻負反饋電路結構簡單、低功耗等特點,成為低成本寬帶低噪聲放大器最常見方法。

    半導體材料作為集成電路發展的基礎,在過去的幾十年得到飛速發展。其中主要可以分為三個階段:以硅和鍺等單晶體為代表的第一代半導體材料;以砷化鎵和磷化銦等化合物為代表的第二代半導體材料;以氮化鎵和碳化硅等寬帶隙為代表的第三代半導體材料[5]。1993年,基于第三代半導體GaN 的HEMT被發明后[6],GaN在射頻微波領域得到廣泛的應用。由于GaN HEMT器件擁有寬帶隙、高飽和載流子速度和優異的導熱等特性,被廣泛應用于在微波功率電路[2]。其后,GaN HEMT被證明擁有低的噪聲特性,并被應用在低噪聲放大器領域[7]。

    本文使用GaN HEMT器件設計了兩級電阻并聯負反饋低噪聲放大器,并通過仿真和測試探索GaN低噪聲放大器的噪聲和線性度等特性。




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作者信息:

王華樹,肖知明,馬  偉,胡偉波

(南開大學 電子信息與光學工程學院,天津300350)

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