用于多频段通信应用的K/Ka波段频率可重构氮化镓低噪声放大器

一、引言研究论文副主编：许悦航教授，电子科技大学可配置，多频段。1.广东省毫米波与太赫兹重点实验室,电子与信息工程学院,华南理工大学,广州510641,中国2.广东-香港-澳门毫米波和太赫兹联合实验室,电子与信息工程学院,华南理工大学,广州510641,中国3.国家关键实验室可靠性物理与应用电子元件技术部,中国电子产品可靠性与环境测试研究所,广州510610,中国曾丁元1,2, 侯森 Zhu 1,2,奥特贡1,2, 蔡宗琪3温泉车1,2，以及泉学卫星通信（SATCOM）技术的进步与传统的长途光缆网络或微波中继相比，显著改善了全球互联网访问的延迟和容量[1].将第五代（5G）网络与非地面接入相结合，在自然灾害和其他紧急情况下，提供了提高通信质量和覆盖范围的机会[2将卫星通信系统（SATCOM）融入5G网络的一个可行且经济有效的方法是复用现有5G技术中的一些电路组件[3].摘 要 —介绍了一种基于0.15μm氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管工艺的频率可重构低噪声放大器（LNA）。讨论了利用基于开关的可重构谐振器（SBRR）调整谐振频率并在下带外区域引入传输零点的频率重构概念。此外，为验证设计，制造了一个集成了SBRR的K/Ka波段频率可重构LNA。所提出的LNA在21/30 GHz时的信小信号增益为13.9/8.9 dB，噪声系数为2.4/3.2 dB。测量输出功率1-dB压缩点（OP）为5.5/6.7 dBm，在21/30 GHz时。1-dB分别为 GHz。芯片尺寸为 1.5 × 1.75 毫米2可重构的氮化镓低噪声放大器对于未来兼容多种标准的宽带通信系统具有吸引力。引用 —曾定原 朱好胜 高友通等“一种用于多频段通信应用的K/Ka波段频率可重构GaN低噪声放大器”，电子学报, 第34卷, 第3期, 第739-748页, 2025年. doi:10.23919/cje.2024.00.149.一个用于多频段通信应用的K/Ka波段频率可重构GaN低噪声放大器通讯作者：朱浩森，邮箱：zhuhs@scut.edu.cn稿件收到日期：2024年6月6日；接受日期：2024年12月4日；在线出版日期：2025年3月27日 版权所有 © 2025中国电子学会低噪声放大器（LNA）在前端电路的接收链路中起着至关重要的作用，它是天线后的第一个有源组件。它显著地 氮化镓 (GaN)，低噪声放大器 (LNA)，单片微波集成电路，关键词 —1,2尽管宽带低噪声放大器[4]–[7]具有良好的频率覆盖范围，在整个宽带范围内优化增益和噪声系数（NF）是一项重大挑战，并且由于不需要的信号在某些情况下可能会降低接收机灵敏度，因此需要额外的滤波器[8]. 或者，频率可重构和并行多频段方法正在被广泛研究以优化每个工作频段上的性能。并行多频段LNA可以提供稳定的高阻带抑制[9]–[13]，而多频段无源器件则显著复杂且具有挑战性pacts the overall sensitivity and dynamic ranges of the system. Therefore, the utilization of multi-band LNAs in non-terrestrial networks (NTNs) that integrate 5G technologies and in systems requiring coverage across multiple frequency bands, offers potential cost-effectiveness.pacts the overall sensitivity and dynamic ranges of the system. Therefore, the use of multi-band LNAs in non-terrestrial networks (NTNs) integrating 5G technologies and in systems requiring coverage across multiple frequency bands offers potential cost-effectiveness. 12ANT GaN FR-LNA宽带CMOS接收链LNA LNA DA ATTDA PS5 dB30 ghz：+9 db总增益预算：34−40 dB需实现。频率可重构低噪声放大器（FR-LNAs）能够实现每个频段内的性能优化，尽管这需要额外的调谐（例如，二极管）或可切换（例如，场效应晶体管（FET）开关）器件来运行[14]–[21]. In [15] 和 [16], 开关被用于输入匹配网络（IMNs）中以电子方式重新配置频段。然而，开关器件的寄生电阻对输入匹配损耗有负面影响，并降低了NF性能，特别是在高频操作时。宽带IMN和磁性调谐可变电感被采用在[21]用于负载切换，但此架构中可重构元件和匹配网络的尺寸相对较大。在本文中，介绍了一种K/Ka波段FR-LNA在图1, 建筑块的增益预算表明，互补金属氧化物半导体（CMOS）低噪声放大器（LNA）需要提供25 dB的增益。另外采用了两个驱动放大器，DA和DA12为了补偿由无源相移器和衰减器引起的无源损耗。所提出的FR-LNA可以重新配置以在两个频段工作。与宽带CMOS集成电路（IC）一起，整体接收器可以应用于各种场景，即5G NTN。在FR-LNA的级间和输出级匹配网络中均采用了基于开关的可重构谐振器（SBRR），实现频段切换。可重构元件的应用易于实现，并具有简单的结构，从而实现紧凑的芯片尺寸。混合相控阵系统的RX框图图1其中ANT表示天线，ATT表示可变衰减器，PS表示移相器。II. 所提可重构谐振器分析与设计具有可重构的级间和输出匹配网络（OMN），应用于频率可重构的混合相控阵接收（RX）链路，如图所示图1.图2展示了所提出的FR-LNA的设计概念，该LNA由三个放大级组成，具有可重构的级间和输出级。该LNA采用商业0.15-μm GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）工艺实现，具有截止频率f)大约为34.5 GHz。T+12 dB −12 dB21 GHz：+15 dB +25 dB −5 dB 1. 开关HEMT分析开关HEMT的布局和等效电路。图3源 (S)/漏 (D)导通状态电极互联金属RON关态第一门 (G1)第二门（G2）电极互联金属COFFLd排水(D)/源(S)图4显示了在30 GHz下提取的HEMT开关的RLC电路参数，单位栅宽（UGW）和指的数量不同。栅极偏置电压设置为0 V−10V用于打开和关闭，分别使用5-kΩ偏置电阻。关态电容（CHEMT)的OFF开关与栅极宽度呈线性增加，而导通态电阻（R)表现出相反的趋势ON随着栅极宽度的增加，关态电阻所提出的RF-LNA的设计理念，其中SW de-图2记录了HEMT的切换。如上图所示图3, 一个GaN HEMT开关在导通状态和关断状态下的等效电路可以用集中式串联电阻、电感和电容(RLC)电路来建模[22]–[24]. 与低频段中开关器件的常规电路模型不同，在高温频段中，通过加入一个串联电感来模拟互连金属的寄生效应。这一添加至关重要，因为它可以显著影响开关在射频（RF）性能方面的插入损耗（IL）和隔离度（ISO），因此绝不能忽视。然而，当采用开关HEMT通过集成电容和电感来实现可切换或可重构的阻抗时，开关的寄生参数可以通过额外的电路设计来加以利用，而不是消除。这种策略有助于简化整体电路的复杂性。 ==+ZONRON+jωLdLdROFFZOFFROFF1/(jωCOFF)+jωLd =+基于切换的可重构谐振器LeqLseLdCsTLseCpMsVsw√ (1 + 4π2 LCf 12)eqf=pTZ1L2πLCeqp√1f=TZ2√ 2π L C C(C+C)eqs OFF s OFF在哪里是寄生电感的总和L L的M以及提取的电感L输电线路sseTL. 输入导纳Y sbrr的可以cal-计算为（3），其中R是寄生虫耐药性switch (即，R and R),ω与操作相关ing frequency (f)计算出的ω= 2πf,和f是传递零 (即,)f and f).TZ1TZ2(1 + 4π2 LCf2)1eqf=pTZ2H2πLCeqpRswY=−+ jωCinp 2R2+ 2π(fL(f2L/f)eqeq sw TZj )·4π2L f2f2 eq TZ−+−2R2+ 2π(fL f2L/f)eqeq sw TZ所提出的SBRR的原理图和等效电路图6这里V表示施加到开关的栅极偏置电压swHEMT。1f=TZ1√ 2π L Ceqs因此，整个SBRR在导通状态下的谐振频率（f)和关断状态（f) 能够LH也可推导如下：频段。C被转移到构建重构p可用的谐振器。导通状态下的串联谐振频率（f)和关断状态（f) 由（1）给出TZ1TZ2和（2），分别。图7说明在两个状态下提出的SBRR的模拟响应，具有5×100微米HEMT。此外，寄生电阻可以诱导额外的IL。pH和C=105L= 163.8 fF，的ILdOFFSBRR在不同的一组下R and R shown in图 8带有50Ω终止。如所见，一个低R对降低IL至关重要。作为妥协他R and C讨论在第二节中，一个开关HEMT尺寸5×100该设计中选择了 μm，其 FOM 为 414 fs。这些值的R,R,C,和L提取出的值为3.94Ω, 0.116Ω, 105fF, 和 163.8dpH，分别。随后，其余组分 1801509060300200190180160150140403530201510503.02.52.01.51.00.502550751001252550(Ω)700650550500450400350255075开关HEMT的FOM。图5基于开关的可重构谐振器 (SBRR)ugw: 单元门宽度NOF: 指数OFFONRC(pH)170OFFdLRUGW (μm) UGW (μm)FOM（fs）UGW (μm)开关HEMT的RLC电路参数与UGW图4和 NOF。开关HEMT可以通过利用其在导通状态和关断状态下的独特阻抗来操控电容或电感的电抗。这种能力允许修改电感-电容（LC）谐振器的谐振频率。所提出的SBRR网络的原理图描绘在图6，其中HEMT开关M与电容器串联连接C和转换ss任务线TL为了创建传输零点，确保se抑制带外低频区域的 unwanted 信号，同时在工作频率范围内表现出电感。当NOF不变时，此连接金属的尺寸基本保持均匀。品质因数(FOM)可从其乘积中推导出RON× C，典型值范围为400fs至700fs，OFF如所示图5此外，开关的最佳电路参数区域以灰色突出显示。(R) 可以被认为是微不足道的。OFF寄生电感(L)保持相对一致d给定图形数量（NOF）。这种一致性可以在图2,其中，寄生电感的主要贡献者是电极的PAD与周围器件之间的金属互连。(fF) 120 (Ω) 25600 NOF=5 (1)(2)(3)(4)(5)导通状态CsLseLdCpRON关态CsLseCpLdROFFCOFFeqdinseswONOFFTZONOFFONONOFF开 关 关 75100125100125NOF=1 NOF=3NOF=5 NOF=7NOF=1NOF=3NOF=7 14121086420242832364014128642024283236402024283236401.61.20.80.400.570.671.00.771.11.2123.02.52.01.51.00.516 18 20 22 24 26 28 30 32112. 级间阻抗匹配网络(a)我ds=25 mA/mm(b)我ds=25 mA/mm我ds=50 mA/mm我ds=50 mA/mmMAG (dB)我ds=75 mA/mm我ds=100 mA/mmVD=5 VVD=10 V我=200 mA/mmds频