六十年代为了解决晶体管放大器的噪声 Gopt 与共轭 S11* 匹配点不重合问题开发的平衡式低噪声放大器 （LNA）可以通过对正交 3dB 耦合器（也称作 90° 或 hybrid 耦合器）中反射能量的自行对消来实现低失配。由于良好的匹配度获得保证，因而所构成的放大器可以调整到最低噪声。尽管隔离器可实现相同的功能，但是成本相对较高。另外，平衡配置也具有比单端配置更好的可靠性、线性度和带宽；最令人称奇的是，它本身具有自行稳定功能（即构成该放大器两个单独放大器本身不稳定，但组成平衡放大器后可以确保在带内或带外实现完美的稳定性）。不利的一面是，平衡式低噪声放大器 （LNA） 需要比单端低噪声放大器 （LNA） 多一倍的电流和部件。此外，正交耦合器也会增加成本并且占用大量的印刷电路板 （PCB） 空间，尤其是在使用分布式实施匹配的电路，同时它们的插入损耗也会影响噪声系数 （NF）、增益和输出功率。如果使用市面上的插入式耦合器，它们的射频性能通常与所采用器件的成本和尺寸成正比。更为关键的是，在受限的移动通信塔顶空间内，平衡式低噪声放大器 （LNA） 的双倍尺寸和重量降低了其用作塔顶放大器 （TMA） 的可行性。一项有关先有技术的调查揭示了缩小平衡式低噪声放大器 （LNA） 尺寸的三大方法：（1） 缩小耦合器 ，（2） 通过单片或混合形式将耦合器集成到放大器件中，以及 （3） 通过混合或单片形式集成双放大器。然而，塔顶放大器 （TMA） 对最先进性能的需求却成为小型化的障碍。

过去十年中，多项以塔顶放大器 （TMA） 为中心的平衡式低噪声放大器 （LNA） 设计都以分立器件为基础，但是这些需要大量的配套部件。为了显著缩小尺寸和减少部件数量，我们将双放大器、偏置和关断功能集成到单片微波集成电路 （MMIC） 中，然后采用微型耦合器进行组合，创造了高性能、紧凑型 2.5GHz 平衡式低噪声放大器 （LNA）。提出作为塔顶放大器 （TMA） 设计的可行性取决于是否满足以下规格：噪声系数低于 1dB，单级增益 +17.6dB，输入匹配优于 18dB，三阶交调截取点 （OIP3） +30dBm 以及无条件稳定性。据我们所知，这种单片式微波集成电路 （MMIC） 以业内第一款结合集成关断功能的双放大器脱颖而出。

材料和方法

此节讲述器件工艺，片上和片外电路，最后讨论电路建模。

单片式微波集成电路 （MMIC） 包括双放大器、静电放电 （ESD） 保护、可调有源偏置和关断功能（图 1 中的黄色方框）。在同一个芯片上相邻集成偏置功能和放大器也有利于在门极阀值电压和温度变化时保持工作电流的稳定。对于芯片制造，选用 6 英寸晶圆上专有的 0.25um 增强模式伪形态高电子迁移率晶体管 （ePHEMT） 工艺技术，因为它是符合此项目成本与性能要求的最佳选择。由于这项工艺技术先前已使单端低噪声放大器 （LNA） 在 2.5GHz 时达到 0.7dB 噪声系数 （NF），我们预计在将约 0.2dB 的耦合器损耗因素包括在内之后，平衡配置中噪声系数 （NF） 将会低于 1dB。此外，这项工艺具有相对较高的 fT 和峰值跨导（分别为 >30GHz 及 615 mS/mm 左右），我们希望利用这一点在单级中达到目标增益。另外，这项工艺技术的线性度在 Vds ≥2V 时保持稳定，对每个晶体管仅由一半电源供电的级联布局非常有利。使用传统的打金线技术，将管芯封装 16 PIN 脚 4 x 4 x 0.8 毫米方形扁平无引线 （QFN） 封装中。

图 1——单片式微波集成电路 （MMIC） 集成双放大器、预匹配、有源偏置、静电放电 （ESD） 保护和关断功能，减少平衡式低噪声放大器 （LNA） 的零件数量

采用两个共源级的级联或单一级联可达到 +17dB 的目标增益。选择后一种布局是因为电流较低，即级联的串联晶体管消耗一半级联电流。实现级联偏置的方式是将上端门连接至电阻分压器，同时通过片外电感器 L1-2 将下端门连接至有源偏置电路。在这些位置中，不使用片上电感的原因是因为只有射频损耗较低的片外电感器可达到目标噪声系数 （NF）。除了提供偏置之外，这些电感器还与电容器 C3 和 C16 结合形成高通网络，可以减少过多的低频增益。这些输入网络不必进行阻抗转换，因为增强型伪形态高电子迁移率晶体管 （ePHEMT） 外围和源极电感 Ls 通过优化在 2-4GHz 频带实现良好匹配和低噪声。同样，漏极电感在内部进行的预匹配简化了输出网络 L3-C9 和 L4-C19。

片上关断电路包含了与有源偏置电路串联的晶体管开关。Vsd1/2 时应用高逻辑电平 （≥2V） 打开开关实施关断。相反，由低逻辑电平（即 Vsd1/2 ≤500mV）启动放大器。如果省略大型 （≥0.1uF） 去耦电容器 C8/22/23/24，从正常操作转变为关断的时间将不到 32ns。然而，通常会建议使用这些电容器，因为它们可预防低频不稳定性并且对电源电压瞬变形成阻尼效应。

尽管单片集成兰格耦合器可以达到最小尺寸，但是所得到的噪声系数（如约 7dB）对塔顶放大器 （TMA） 应用来说还是太高。因此，使用市面上现有的表面贴装耦合器 X1-2 可实现这项设计的信号功分和合成功能。为了达到紧凑的尺寸，在高介电常数陶瓷基片上制作这些反向波耦合器——它们的尺寸介于兰格耦合器和分支线耦合器之间。这些 2.6GHz 版耦合器具有足够的带宽，可以跨越 WiMAX 和 LTE 频带。为减少输入损耗，输入端使用较大的（6.4 x 5.1 毫米）耦合器，而输出端则使用较小的（2.0 x 1.3 毫米）耦合器以节省空间和成本。为确保批量生产中输入匹配始终优于 -18dB，需要对两项最关键的参数进行控制：（1） 将放大器的输入匹配误差限于 |S11a-S11b| <0.025 和 （2） 指定输入耦合器的隔离度优于 23dB。由于塔顶放大器 （TMA） 对输出匹配的要求较为宽松，因而输出耦合器并不是关键因素。

印刷电路板 （PCB） 由 10 毫米厚的 Rogers RO4350 层及 FR4 层组成，使堆叠高度增至 1.6 毫米（图 2）。通过侧馈 SMA 同轴连接器进行射频测试，并且测量结果均以这作为参考面。主要装有 0402 尺寸的无源部件，占用面积为 450 平方毫米。如果移除输入耦合器 X1 和输入匹配网络 （L1-C3） 之间的空白区域，占用面积则有可能缩小约 20%。

图 2：上）平衡式低噪声放大器 （LNA） 集成在 450 平方毫米的印刷电路板 （PCB） 区域内（虚线框内）

印刷电路板 （PCB） 的 50Ω 微带宽度（0.58 毫米）为标称尺寸。然而，输入耦合器贴装接点旁的迹线则需缩窄，以补偿连接点的寄生电容（图 3）。仿真结果显示，可通过收窄迹线宽度至标称值的 60%，提高 2.5GHz 时的输入匹配。

图 3 缩短耦合器旁微带迹线的短段（1.4 毫米长），以实现输入匹配再提高 1 dB

表 1 用料单

为了进行电路模拟，使用双层嵌套层次结构对该设计进行建模（图 4）。上层包含几个模块，分别代表单片式微波集成电路 （MMIC）、信号功分合成以及阻抗匹配部分。两个放大器 Q1 和 Q2 都由同一套散射参数 （s2p） 代表。先从单片式微波集成电路 （MMIC） 样品中提取器件 s2p，该样品安装在类似印刷电路板 （PCB） 材料和厚度的测试装置上，随后使用穿透反射线 （TRL） 技术进行装置补偿。在相同的测试装置上，也可以使用自动信号源和负载牵引调谐器提取器件的噪声和线性度（三阶交调截取点，IP3）参数。由于非常接近调谐器、线缆和连接适配器的组合损耗，因此特别难以提取约 0.4dB 的最小噪声系数 （NFMIN）。使用制造商的 s2p 数据对电感器和混合耦合器进行建模。其他无源部件则使用包含一阶寄生的等效电路进行建模。

图 4 双层嵌套层次结构的等效电路模型

结果和讨论

此节首次讲述模型的仿真和实验结果，并且与先有技术比较主要成就。采用 4.8V 电压和 2.5GHz 标称测试频率对原型进行测试。

在设计频率时，此设计达到低于 1dB 的目标噪声系数 （NF）。在中心频点，实验噪声系数 （NF） 为 0.95dB。五种取样显示噪声系数 （NF） 在 1GHz 范围内微弱的变化 （<0.05dB）。预测的噪声系数 （NF） 显示与实际相同的趋势，但是存在约低0.3dB 的误差。因为器件的最小噪声系数 （NFmin） 非常接近噪声分级设备的界限，所以这种差异可能是建模误差。

图 5 五种取样显示实验噪声系数 （NF） 在 2.5GHz 时始终为 0.95dB

该设计可以满足塔顶放大器 （TMA） 的增益和输入匹配要求。中心频点时实测增益为 18dB（图 6）。预测的增益与 带宽 1GHz 范围内的测量结果完全吻合。实验输入和输出回波损耗分别为 -19dB 和 -17dB。理论上，耦合器的中心频率应达到最佳匹配。实验输入匹配在 2.6GHz 时达到最佳，其与输入耦合器中心频率一致。但是根据预测，在 2.3GHz 时实现最佳输出匹配，造成频移的首要因素可能是耦合器的容限。回波损耗幅度主要受耦合器隔离度的影响，但是放大器的非一致性及微带不连续性也会对此产生影响。

图 6：18dB 中心频率增益是单级平衡式低噪声放大器 （LNA） 有史以来达到的最高增益。另外，-19dB 输入匹配可与先前使用大型耦合器的技术媲美。

由于放大器在关断期间如同无反射衰减器，因此其可能会取消平衡式低噪声放大器 （LNA） 旁路开关。激活单片式微波集成电路 （MMIC） 关断引脚时，此设计呈现 26dB 的衰耗，2.5GHz 时输入回波损耗 （IRL） 和输出回波损耗 （ORL） 分别为 -26dB 和 -10.5dB（图 7）。由于耦合器自动抵消关断放大器的反射，因此可保持良好的匹配度。2.5GHz 输出匹配不及预期，因为最小的输出回波损耗 （ORL） 可能由于耦合器容限偏移为 2.15GHz。关断期间的良好匹配，因此不需要旁路开关预防天线或滤波器的失谐。据我们所知，这是首次报道有利属性并提议取消低噪声放大器 （LNA） 旁路开关。

图 7 关断模式下优于 10dB 的回波损耗可省却对于旁路设置低噪声放大器 （LNA） 的需要

制作的平衡式低噪声放大器 （LNA） 无条件稳定。按照模型设计和测量得出的 μ 稳定系数均在 50MHz 至 20GHz 间超过一单位（图 8）。模拟 μ 的精确度在 3GHz 以上会为差，因为用来模拟无源部件的普通等效电路并没有产生更高的谐波影响。此处需要注意的是，所构成的放大器可能不稳定，如图所示，在 7GHz 至 18GHz 间低于一单位 μsingle。因此，此设计中验证了平衡拓扑结构的自行稳定承诺。还值得注意的是，在 7GHz 至 18GHz 范围中的稳定性得到改善，远远超过耦合器的通频带。

图 8 平衡式低噪声放大器 （LNA） 具备无条件稳定性，尽管所构成的放大器不具备无条件稳定性。平衡式低噪声放大器 （LNA） 按照模型设计和测量得出的 μ 稳定系数均在 0.05GHz 至 20GHz 间超过一单位。如图所示，将所构成的放大器 μ （sgl sim） 用作比较，其在 7GHz 至 18GHz 间有多多点降至一单位（绿色虚线）以下

此设计具有足够的线性度，可在蜂窝塔嘈杂的射频环境中顺畅运行。2.5GHz 时，实验性 OIP3 为 38dBm，比 2.0GHz 时的最高点低约 1dB（图 9）。OIP3 最高点离 2.5GHz 较远，因为放大器的输出网络通过调节获得最大增益。可能会通过匹配线性度将 2.5GHz 时的 OIP3 提高至约 39dBm，但需以减少增益为代价。根据负载牵引数据模拟的 OIP3 与实验结果非常吻合——2.6GHz 时误差<0.2dB。根据 OIP3（线性）与直流电源之比计算出线性品质因数约为 12.4。中心频率 P1dB 为 21.1dBm。高 P1dB 非常有用，因为这意味着不受强大的阻隔信号影响（相邻通道干扰）。

图 9 2.5GHz 时实验性 OIP3 为 38dBm，而 P1dB 为 21.1dBm。在 2.6GHz，按照模型设计的 OIP3 与实测误差不超过 0.2dB。

此作品中使用的单片式微波集成电路 （MMIC） 在针对蜂窝平衡式低噪声放大器 （LNA） 应用小型化上取得里程碑式的业绩。其器件尺寸为 16 平方毫米，从而被归类为最小系列（表 2）。虽然紧凑，但具备的功能却和较大的先前技术一样多。因此，它刷新了最低面积/功能指标的记录。

表2：在用于蜂窝平衡式低噪声放大器 （LNA） 应用的单片式微波集成电路 （MMIC） 中，此作品具有最小的尺寸以及最佳的面积/功能指标。这也是唯一一个具备整体关断功能的设计。

在 2GHz 至 3GHz 范围内能够用作塔顶放大器 （TMA） 的平衡式低噪声放大器 （LNA） 中，此作品还具有最佳性能尺寸比。品质因数 （FOM） 有助于对低噪声放大器 （LNA） 进行排序，因为其使用单一数字表示关键性能。品质因数 （FOM） 普遍应用于低噪声放大器 （LNA） 对比测评中，公式为：

此作品的低噪声放大器品质因数 （LNAFOM） 为 13.2。为比较性能和尺寸比，绘出一幅低噪声放大器品质因数 （LNAFOM） 相对于低噪声放大器 （LNA） 的印刷电路板 （PCB） 面积的图（图 10）。正如预期的那样，该设计通过大型耦合器， 获得最高的低噪声放大器品质因数 （LNAFOM），但是也占据较大的印刷电路板 （PCB） 面积。尽管就低噪声放大器品质因数 （LNAFOM） 而言，此作品仅名列第四，但是位于图表左上角的位置表明其不仅具备高性能，还具备紧凑型，即每一区域的低噪声放大器品质因数 （LFOM） 都高。

图 10 在 2GHz 至 3GHz 蜂窝平衡式低噪声放大器 （LNA） 中，此作品具备最佳性能尺寸【低噪声放大器品质因数 （LNAFOM） 与印刷电路板 （PCB） 面积】比

结论

所提出的平衡式低噪声放大器 （LNA） 设计成功地将高性能和紧凑型——塔顶放大器 （TMA） 相互冲突的要求紧密结合在一起。通过将双放大器、偏置调节器以及单片式微波集成电路 （MMIC） 中的关断电路融合在一起，大量减少部件数量。高度集成的单片式微波集成电路 （MMIC） 与微型混合耦合器耦接在一起时，平衡式低噪声放大器 （LNA） 的印刷电路板 （PCB） 尺寸将大大缩小。此单片式微波集成电路 （MMIC） 的低噪声性能可通过调整耦合器损耗来缩小尺寸。此平衡式低噪声放大器 （LNA） 的另外一项特征便是关断期间阻抗匹配度高，从而不需要旁路设置使用开关的低噪声放大器 （LNA）。除了满足所有目标规格以外，此作品还使用图表展示其在同类中的最佳性能/尺寸指标。我们希望这项新设计可克服传统障碍，在塔顶放大器 （TMA） 中广泛接受平衡拓扑结构。