一种采用SNIM技术和宽带匹配技术的全集成5.9-7.2?GHz双模低噪声放大器

《Microelectronics Journal》：A fully integrated 5.9-7.2?GHz dual-mode low-noise amplifier using SNIM and broadband matching techniques

　　魏成|张志豪|江书婷|张加瑞 中国广东工业大学集成电路学院

摘要
本文介绍了一种采用0.25微米GaAs pHEMT技术实现的完全集成式5.9-7.2 GHz双模低噪声放大器。该放大器采用了同时噪声匹配与输入匹配技术以及宽带输出匹配技术，适用于6 GHz Wi-Fi频段。设计中采用了有源-无源组合偏置网络，通过控制共源晶体管和共栅晶体管的开关状态，防止放大器在旁路模式下错误启动。为实现同时噪声匹配与输入匹配，可在输入端添加LC陷波器，并与其它元件共同优化，从而进一步缩小输入阻抗与最佳噪声匹配阻抗之间的差异。该LC陷波器还能抑制2.4 GHz Wi-Fi干扰及杂散信号，同时与直流偏置电路协同作用，提升隔离度和切换速度。宽带输出匹配网络则通过并联LC谐振器实现频率依赖的阻抗转换，从而实现带阻滤波与宽带匹配功能。此外，还设计了旁路电路和逻辑控制电路，用于在低噪声放大模式与旁路模式之间切换。测试结果表明，在5.9-7.2 GHz频段内，该放大器的增益为12.0-13.3 dB，噪声系数低于1.2 dB，1 dB压缩点输出功率在12.5 dBm到14.2 dBm之间。旁路模式下的插入损耗保持在10.8 dB到12.1 dB之间。该放大器的芯片面积为960 × 735 μm2。

引言
随着对更高数据速率无线应用的需求不断增长，包括增强/虚拟现实、云计算以及工业物联网等领域，无线局域网标准也在不断发展[1]。如图1所示，Wi-Fi 6 E率先将工作频段扩展到6 GHz频段[2]，而Wi-Fi 7（IEEE 802.11be）将继续使用5.9-7.2 GHz频段，其信道带宽可达320 MHz，是Wi-Fi 6的两倍。未来，Wi-Fi 8（IEEE 802.11bn）预计仍会支持6 GHz频段。射频前端模块作为连接收发器和天线的关键接口，是决定能否充分发挥Wi-Fi 7/8性能的关键所在。这就要求作为接收链路第一级的低噪声放大器在噪声水平、增益以及带宽方面都能有所提升[3]。由于Wi-Fi 7/8采用了更高频段的信号，因此低噪声放大器必须在更宽的频率范围内保持出色的输入匹配和噪声匹配性能。

常用的低噪声放大器制造工艺包括硅、砷化镓和氮化镓等。其中，砷化镓pHEMT工艺较为成熟，具有低噪声、高电子迁移率以及成本适中的优点，因此被广泛用于低噪声放大器设计中[4]。

此外，无论身处何处，无线用户都希望获得高质量的通信体验。当用户距离天线较远时，接收到的信号较弱，就需要低噪声放大器提供较高的增益；而当用户靠近天线时，接收信号较强，过高的增益会导致后续电路饱和，从而限制接收机的动态范围。为了解决这一问题，已有研究提出了带有旁路路径的低噪声放大器，可用于衰减高功率信号，相关研究可见文献[[5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]]。不过，这些研究大多集中在6 GHz以下的频段，未能满足6 GHz Wi-Fi频段日益增长的频谱需求。因此，为了支持下一代高速无线通信系统，需要进一步研究适用于6 GHz及以上频段的带有旁路功能的低噪声放大器。

现有的6 GHz以下旁路型低噪声放大器在应用于5.9-7.2 GHz频段时存在诸多局限性。在6 GHz以下的频段，传统的旁路架构能够为低噪声放大器与旁路路径提供足够的隔离效果。但随着工作频率升高到新的6 GHz频段（5.925-7.125 GHz），旁路开关的寄生电容效应变得更为明显，严重降低了隔离性能[13]。这种性能下降会带来两个问题：首先，在旁路模式下，高功率信号可能会泄漏到放大路径中，导致共源晶体管意外导通；其次，不足的隔离度会在开关处于关闭状态时形成从输出端到输入端的寄生反馈路径，可能引发电路振荡和不稳定现象。另外，与传统的2.4/5 GHz Wi-Fi频段（带宽分别为83.5 MHz和700 MHz）相比，Wi-Fi 6E/7/8所采用的6 GHz新频段的带宽达到了1.2 GHz，大幅增加。在6 GHz以下的低噪声放大器中，通常采用经典的源衰减电感拓扑结构来实现同时噪声匹配与输入匹配。在窄带宽条件下，输入阻抗与最佳噪声匹配阻抗之间的差异较小，两者都可以在目标带宽内接近50Ω。但在6 GHz频段，这两者之间的差异会增大，且它们的虚部具有很强的频率依赖性，只有在单一频率点上才能趋近于零[14]。因此，传统拓扑结构无法在整个6 GHz频段内保持输入阻抗与最佳噪声匹配阻抗都接近50Ω，这对实现宽带同时噪声匹配构成了巨大挑战[15]。虽然更高阶的LC匹配网络可以实现宽带匹配，但额外的无源元件会引入额外的损耗，进而降低噪声系数和增益性能。

本文介绍了一种工作在5.9至7.2 GHz频段的砷化镓pHEMT低噪声放大器，该放大器将低噪声放大器核心、旁路路径、偏置网络以及逻辑控制电路完全集成在一起，同时支持放大模式和旁路模式。其偏置网络采用了有源-无源组合偏置方式，能有效防止放大器在旁路模式下错误启动。在输入端添加的LC陷波器可用于抑制2.4 GHz附近的频外Wi-Fi干扰，同时它也被设计为输入匹配网络的一部分，从而实现噪声匹配与输入匹配的功能。此外，该陷波器还与直流偏置电路协同作用，进一步提升隔离度和切换速度。宽带输出匹配网络则通过并联LC谐振器利用频率依赖的阻抗特性，从而扩展工作带宽并实现带阻滤波功能。这款双模低噪声放大器不仅将工作频段扩展到了6 GHz以上，还具备出色的增益、带宽、噪声系数以及线性度表现。它能完整覆盖Wi-Fi 6以及Wi-Fi 6E/7/8所涉及的6 GHz Wi-Fi频段，对于支持下一代高速无线通信系统具有重要意义。

章节节选
电路设计
图2展示了所设计的完全集成式低噪声放大器的详细原理图和框图，其中包括主放大电路、旁路电路、偏置电路以及逻辑控制电路。当输入信号较弱时，低噪声放大器处于放大模式；而当接收到高功率信号时，则切换到旁路模式。

实验结果
图13展示了采用0.25微米GaAs pHEMT技术制造的完全集成式低噪声放大器的芯片显微照片。包括划线区域在内的芯片面积为960 × 735μm2。在5 V的供电电压下，放大模式时的逻辑信号LNA_EN为3 V，而旁路模式时则为0 V。放大模式下的静态电流为16 mA。如图14所示，实验测量结果与仿真结果高度吻合。图14(a)展示了放大模式下的仿真值与实测S参数。

结论
本文介绍了一种采用0.25微米GaAs pHEMT技术实现的完全集成式5.9-7.2 GHz双模低噪声放大器，该放大器的核心电路、旁路路径、偏置网络以及逻辑控制电路均集成在同一块芯片上。在设计中，采用了有源-无源组合偏置方法，以避免低噪声放大器在旁路模式下误启动。输入端的LC陷波器与共源晶体管的尺寸以及源极电感Ls共同优化设计，被赋予了多种功能。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究部分得到了中国国家重点研发计划项目（项目编号2023YFC2206600）以及广东省基础与应用基础研究基金（项目编号2026A1515010198）的支持，同时也得益于广东工业大学半导体与纳米技术中心在测试方面提供的帮助。