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针对 5G 应用的 LNA 设计
1. 简介 低噪声放大器 (LNA) 是无线通信中常用的 RF 接收器的主要模块和第一级。它常用于放大接收天线接收到的弱信号。LNA 的内部噪声极小，因此对系统噪声的影响并不大 [1]-[2]。由于 LNA 是 RF 前端接收器的主要部分，因此在设计 LNA 时应考虑低噪声系数 (NF) 和高增益等规格，以保持整体接收器 NF 较低。LNA 在通信领域有许多应用，例如无线通信、天文学应用、雷达和卫星通信、电信等。增益、噪声系数、输入回波损耗和输出回波损耗是 LNA 的基本规格。为了表示这些规格，使用放大器的 S 参数。除了这些特性之外，设计 LNA 时还需要考虑的其他一些特性包括线性度、稳定性、带宽和功率耗散。
400 MHz 带宽的 2.4 GHz LNA 的设计
摘要 ：低噪声放大器 (LNA) 是接收器最重要的前端模块。LNA 的噪声系数 (NF) 和散射参数影响整个接收器电路的整体性能。如今，在 5G 技术时代，传输数据的质量得到了提高。因此，需要更高的带宽来以更高的速度传输数据。在这种情况下，通信模块需要更新。这项研究是为了推动 LNA 的发展。LNA 设计的主要目标是降低噪声系数和回波损耗。本文旨在设计一个带宽为 400 MHz 的 2.4 GHz LNA。该电路是借助单短截线微带线设计的。我们试图将微带线的长度保持在尽可能短的范围内。这项工作中使用了晶体管 ATF-21170 砷化镓场效应晶体管 (GaAs FET)。该电路在 Keysight Advance Design System (ADS) 中进行了仿真。该放大器采用标准方法手工设计。LNA 在 2.2 GHz 至 2.6 GHz 的频率范围内无条件稳定。为了构建放大器的阻抗匹配电路，使用了史密斯图。观察到 LNA 增益 (S21) 大于 15.3 dB，NF 小于 1.2 dB，输入回波损耗 (S11) 小于 -13.3 dB，输出回波损耗 (S22) 小于 -17.1 dB，带宽为 400 MHz，范围从 2.2 到 2.6 GHz。据作者所知，这在文献中从未出现过。
2.4GHz低噪声放大器（LNA）的优化设计
2.2 单端 LNA 设计（共源共栅电感源极衰减） 图 1 显示了一个单端 LNA，该电路结构利用连接到源极处的晶体管 M 1 的电感 (LS )（电感源极衰减）[4]。这种结构的优点是设计人员可以通过选择适当的电感来灵活地控制输入阻抗实部的值。此外，为了减少调谐输出和调谐输入之间的相互作用，使用了级联晶体管 M 2 。偏置电路由形成电流镜的晶体管 M 1 和 M 3 实现。选择 M 3 以获得偏置电路的最小功率开销。使用电感 L d 的原因是为了与输出负载产生谐振以获得最大的输出功率传输。此外，通过设计更宽的 W 2 来权衡共源增益和增加第 2 个晶体管 (M 2 ) 的寄生电容。此外，晶体管 M 2 有助于降低米勒效应 (C gd1 ) 以及 S 21 [4]。等效电流
sub-mw低温INP HEMT LNA用于量子读数
摘要 - 低温磷化物（INP）高电子动力晶体管（HEMT）低噪声放大器（LNA）用于在4 K处的Qubits读数放大，其中冷却能力有限地暗示活性电路的DC功率是一个必不可少的设计约束。在本文中，在4 K处的超功率（ULP）操作下INP HEMT的RF和噪声性能已被表征。 将INP HEMT的小信号和噪声参数模型提取到1 µW。噪声性能和直流功耗之间的权衡是根据排水电流和排水电压分析的。 制造了4–6 GHz混合低温HEMT LNA专为量子读数而设计的，并针对低于1 MW DC功率的最低噪声进行了优化。 在4 K时测量的LNA的测量性能达到23.1 dB平均增益，平均噪声温度为200 µW DC功率。在本文中，在4 K处的超功率（ULP）操作下INP HEMT的RF和噪声性能已被表征。将INP HEMT的小信号和噪声参数模型提取到1 µW。噪声性能和直流功耗之间的权衡是根据排水电流和排水电压分析的。制造了4–6 GHz混合低温HEMT LNA专为量子读数而设计的，并针对低于1 MW DC功率的最低噪声进行了优化。在4 K时测量的LNA的测量性能达到23.1 dB平均增益，平均噪声温度为200 µW DC功率。
A 2-V 1.4-DB NF GAAS MMIC LNA用于K波段应用
摘要：在UMS 100 nm GAAS PHEMT技术中，提出了1.4 dB噪声图（NF）四阶段K波段单片微型集成电路（MMIC）低噪声放大器（LNA）。所提出的电路旨在覆盖5G新版本N258频带（24.25–27.58 GHz）。动量EM Layout仿真揭示了电路的最低NF为1.3 dB，最大增益为34 dB，| S 11 |从23 GHz到29 GHz的–10 dB，p 1db为–18 dbm和24.5 dbm的OIP3。LNA从2 V DC电源中抽出总电流为59.1 MA，并导致芯片尺寸为3300×1800 µm 2，包括垫子。我们提出了一种设计方法，重点是选择活动设备大小和直流偏置条件，以在应用源变性时获得最低的NF。设计过程通过选择促进简单输入匹配网络实现的设备来确保最小的NF设计，并得益于源变性的应用，获得了合理的输入返回损失。使用这种方法，输入匹配网络是通过分流存根和传输线实现的，因此最大程度地减少了对第一个阶段实现的NF的贡献。与类似作品的比较表明，与大多数最先进的解决方案相比，开发的电路非常有竞争力。
针对 SATCOM 应用的具有低于 1dB NF 的低成本 X 波段 LNA 的设计
在本文中，我们展示了一种用于卫星通信应用的低成本 7.25-7.75 GHz 两级低噪声放大器，其噪声系数低于 1 dB。采用 Rogers RT5880 基板上的微带技术（介电常数为 2.2，厚度为 0.508 mm）开发低噪声放大器。印刷电路板技术具有多种优势，例如成本低、重量轻以及制造过程后的可重新配置性，这些优势使该技术在商业和军事应用的卫星通信系统中具有吸引力。由于单片微波集成电路技术可提供更小尺寸的电路和高电气性能（尤其是在毫米波频率下），因此印刷微带技术可以成为集成电路技术的有力竞争对手，因为它具有经过验证的可靠性、更简单、更便宜和更快速的制造工艺以及 X 波段应用中可压缩的电气性能。此外，所提出的放大器是利用加州东部实验室的 Rogers-RT5880 上的 CE3512K2 晶体管开发的，并在匹配网络中使用了表面贴装器件以减小尺寸。此外，还实施了源生成和级间匹配拓扑，以简化匹配复杂性，从而增强噪声和增益。原型是利用 LPKF 原型机制造的。开发的 LNA 在工作频率带宽内表现出 23.5±0.5 dB 的测量增益，噪声系数小于 0.9 dB，输入/输出回波损耗优于 11.5 dB。此外，开发的放大器在中心频率处测量的载波干扰比为 -59 dBc，P1dB 为 13 dBm，同时消耗的总直流功率为 50 mW。
1.2 dB NF 分集接收模块的低频带多增益 LNA 设计
摘要：本文介绍并讨论了一种用于分集接收模块的低频带 (LB) 低噪声放大器 (LNA) 设计，该模块适用于多模蜂窝手机。LB LNA 覆盖 5 个不同频段，频率范围从 617 MHz 到 960 MHz，5 刀单掷 (5PST) 开关用于选择不同的频段，其中两个用于主频段，三个用于辅助频段。所提出的结构涵盖从 -12 到 18 dB 的增益模式，增益步长为 6 dB，每种增益模式的电流消耗都不同。为了在高增益模式下达到噪声系数 (NF) 规格，我们在本设计中采用了具有电感源退化结构的共源共栅 (CS)。为了实现 S 11 参数和电流消耗规格，高增益模式（18 dB、12 dB 和 6 dB）和低增益模式（0 dB、-6 dB 和 -12 dB）的内核和共源共栅晶体管已被分开。尽管如此，为了保持较小的面积并将相位不连续性保持在 ± 10 ◦ 以内，我们在两个内核之间共享了退化和负载电感器。为了补偿工艺、电压和温度 (PVT) 变化的性能，该结构采用了低压差 (LDO) 稳压器和极端电压补偿器。该设计在65nm RSB工艺设计套件中进行，电源电压为1V，以18dB和-12dB增益模式为例，其NF分别为1.2dB和16dB，电流消耗为10.8mA和1.2mA，输入三阶截取点（IIP3）分别为-6dBm和8dBm。
优化 LNA 第一级以降低多级 LNA 中的整体噪声系数
介绍了一种设计多级低噪声放大器 (LNA) 第一级的分析方法。本文讨论了在考虑后级噪声的情况下最小化总噪声系数 (NF) 的第一级优化方法。该方法侧重于第一级的源阻抗优化，同时考虑其 NF、增益和后级 NF 的影响。所提出的方法计算第一级的设计参数，以使多级 LNA 中的整体 NF 最小，而传统方法则建议最佳源阻抗以使第一级的 NF 最小。本文证明了 Smith 圆图中的恒定总 NF 轮廓与传统 NF 圆不同，并且 Γ opt 在相邻级 NF 不同的多级 LNA 中实现了最佳噪声性能变化。这些轮廓和最佳源阻抗针对特定的 LNA 进行描述，并与其恒定 NF 圆和 Γ opt 进行了比较。为了检验所提方法的可行性以及验证理论和仿真结果，我们制作了一个使用 ATF13136 晶体管的 4-5 GHz 分立式 LNA。结果表明，在 LNA 的第一级设计中考虑后续电路的噪声可降低整体 NF，同时改善其增益和输入匹配。
适用于高动态范围雷达接收器的 GaN-on-Si 100 纳米 Ka 波段 MMIC LNA
由于低成本无人机的普及，小型无人机的高爆检测最近已成为一个非常重要的课题，因为这对安全构成了越来越大的潜在风险[1][2]。FMCW 雷达被认为是最适合无人机检测的解决方案之一，因为它结构简单，具有短距离检测能力[1]-[4]。小型无人机的检测是一项具有挑战性的任务，因为它们的尺寸非常有限，并且采用非反射材料，因此雷达截面 (RCS) 非常小。因此，只有利用毫米波频率、高发射功率以及具有低噪声系数 (NF) 和高动态范围的接收器，才能优化雷达检测范围和分辨率。在这种情况下，氮化镓 (GaN) 微波技术代表了性能最佳的解决方案，因为它们为发射器和接收器微波前端提供了最先进的性能系数[4]-[6]。利用微波频率下卓越的 GaN 功率密度，有利于实现紧凑型高功率发射器，以增强无人机目标的弱回波信号（低 RCS）。另一方面，由于兼具低噪声和宽动态范围特性，GaN 技术在 RX 部分也非常有吸引力 [5]-[9]。这一特性对于用于无人机检测的 FMCW 雷达接收器至关重要，因为 LNA 需要检测非常低的无人机回波信号（接近热噪声水平），同时在存在强干扰/阻塞信号的情况下保持其线性度，这些信号通常是由于雷达杂波和其自身发射器功率放大器的泄漏造成的 [3][4]。在本文中，我们描述了一种基于 GaN 的 Ka 波段 MMIC LNA，可用于 FMCW 雷达接收器，用于小型无人机检测。采用 mmW-GaN 技术可以同时瞄准低 NF、高增益和大动态范围，从而在 Ka 波段上方实现无与伦比的综合性能。
22 nm FD-SOI 中具有可变增益控制和开关功能的 60 GHz 宽带 LNA
摘要 本文研究了一种具有可变增益控制的 60 GHz 低功耗宽带低噪声放大器 (LNA)。为了证明这一概念，该电路采用 22 nm 全耗尽绝缘体上硅 (FD-SOI) CMOS 技术实现。它通过增益峰值（增益分配）技术支持 60 GHz 的宽带操作。通过调整放大器的一些关键匹配网络，每级的峰值增益被分配到不同的频率，从而产生整体宽带频率响应。该电路由三个级联共源共栅放大器级组成。匹配网络针对带宽和噪声系数进行了优化。晶体管背栅用于 LNA 设计，以将电路切换到低功耗待机模式。这避免了基于前栅的切换在电压击穿和电路稳定性方面的问题。此外，通过背栅实现了在如此高频率下同时实现可变增益控制。与基于前栅的相比，基于背栅的可变增益控制可以实现增益的连续微调，同时对控制电压的精度或分辨率要求较低。在测量中，增益通过背栅成功从 20 dB 调低至 − 25 dB。在 1 V 标称电源的 8.1 mW 直流功率下，LNA 提供 20 dB 的峰值增益、18.5 GHz 的带宽和 3.3 dB 的最小噪声系数。当偏置在 0.4 V 的降低直流电源下时，所给出的电路仅消耗 2.5 mW 的直流功率，并且仍然提供 10 dB 的功率增益和约 4.5 dB 的最小噪声系数。通过切换到待机模式，LNA 在标称电源下消耗 850 µ W 的直流功率，在降低电源下消耗 240 µ W 的直流功率。与之前报告的设计相比，LNA 表现出色，具有最低的噪声系数以及具有竞争力的增益、带宽和直流功率。据作者所知，这是第一款通过单独的背栅偏置具有联合可变增益控制和切换功能的 60 GHz LNA。