低噪声放大器 (LNA) 的设备物理和参数特性

无线接收器可以恢复的最弱信号由其灵敏度定义。顾名思义，低噪声放大器 (LNA) 通过降低级联噪声系数来提高接收器灵敏度。Friis 方程显示接收器链中第一级放大级的噪声系数 (F1)。

介绍

无线接收器可以恢复的最弱信号由其灵敏度定义。

Rx_sen (dBm) = -174 + 10log BW + SNR + F

其中，BW 是以 Hz 为单位的带宽，SNR 是所需的信噪比，F 是系统噪声系数。

顾名思义，低噪声放大器 (LNA) 通过降低级联噪声系数来提高接收器灵敏度。Friis 方程表明，
接收器链中第 1 个放大级（即 LNA）的噪声系数（F1）起主导作用，后续级（即 F2、F3 等）的噪声性能较小重要性。

其中，Gn 是接收链中第 n 级的增益。

蜂窝基站 (BTS) 和微波中继分离了位于天线塔上方的 LNA 级，以减轻预 LNA 电缆损耗导致的 NF 退化。在 BTS 架构中，LNA 级之前是用于双工
共用天线的发射-接收 (Tx-Rx) 双工器和用于防止带外阻塞或减敏的干扰滤波器。然而，双工器和滤波器的损耗必须最小化，因为它们发生在放大之前 [2]。因此，具有额外噪声性能余量的 LNA 将放宽双工器滤波器的损耗要求。

其他关键性能参数包括高增益以克服连接安装在塔上的 LNA 和地面无线电棚的长电缆中的损耗，以及高线性度，因为由于与其他无线设备共享站点，塔附近的 RF 频谱可能非常拥挤
发射器。

设备物理和参数特性

8 引脚四方扁平无引线 (QFN，2 x 2 x 0.75mm) 封装微波单片集成电路 (MMIC) 由一个共源共栅放大器和一个有源偏置稳压器组成。共源共栅拓扑具有高增益、电流重用和更好的反向隔离的优点。0.25 m 特征尺寸 GaAs 增强模式伪晶高电子迁移率晶体管 (ePHEMT) 工艺 [3] 具有高增益积带宽，fT > 30 GHz，允许目标增益（在 1.9 GHz 时 >17 dB ) 在一个级联中实现。通过将金属厚度加倍于之前的工艺迭代，可以最大限度地减少互连中产生的约翰逊噪声。

偏置调节器允许通过改变 RBIAS 或外部施加的电压 VBIAS 来调整 LNA 静态电流 (Ids)（图 1b）。稳压器的低电流驱动要求 (IBIAS ≤ 1 mA) 与大多数 CMOS 系列兼容，并且可以直接从微控制器切换 LNA，用于时域多路复用 (TDM) 应用。在电池供电的应用中，可调偏置也可用于权衡线性度以节省功耗。Ids温度稳定性是由稳压器和LNA经过类似处理实现的；即 VBIAS 和 VGS 相互“镜像”以补偿热漂移 [4] 和晶圆间跨导变化。

性能评估电路和组装

为了评估设备的射频性能，设计并制造了一个代表基站应用的 1.9 GHz LNA。最少数量的外部组件（C1-L1 和 C2-L2）提供了在芯片级集成不可行的匹配和偏置功能（图 2a）。除了 DC 阻断和 RF 扼流功能之外，C1-L1 还会在低于工作频率 (f0) 时降低不需要的增益。应为高于 f0 的自谐振频率 (SRF) 选择 L1 和 L2，以实现有效扼流。

电源去耦电容器 C3-C6 将 AC 信号分流到地，从而防止通过偏置线产生无意的输出-输入反馈。出于低频稳定性的考虑，C3 的尺寸设计为在 f0 处的电抗 (X) 约为 8 欧姆。因此，在低频时，即 f << f0，C3 表现为开路，R1（50 欧姆）直接与 L1 串联，为器件输入（引脚 2）提供低反射终端。当 LNA 在 TDM 应用中通过 VBIAS 切换时，C5 可以更改为较小的值或完全消除以提高响应时间。在 C5 中使用 10 pF 测得的开启时间约为 0.6 uS。

印刷电路板 (PCB) 的尺寸为 21.5 x 18 x 1.4 毫米，在 10 密耳罗杰斯 RO4350 上使用具有共面接地的微带 - 一种中等价位的材料，具有适中的射频性能，与 FR4 工艺兼容 [5] ]。将 1.2 毫米厚的低成本 FR4 材料粘合到 RO4350 地平面上以进行加固。RF 连接通过边缘发射 SMA 到微带转换（Johnson Component P/N 142-0701-856）进行，而直流电源通过 2 针直 PCB 接头连接。除了 C5 和 C6 由于电容大而为 0805 尺寸外，所有其他 RLC 组件均为 0402 尺寸。组件的总面积约为 8 x 10 mm2。

作为 LNA 电路设计的准备工作，MMIC 在定制设计的直通反射线 (TRL) 夹具上进行了表征，该夹具由预期原型 LNA 使用的相同 PCB 材料 (10-mil RO4350) 形成。在去嵌入夹具效应后，器件散射参数 (s2p) 然后被导入到安捷伦科技 ADS2006A 软件中进行电路仿真。创建了两个设计迭代 - 一个标准版本和一个低输入回波损耗 (IRL < -20 dB) 版本，后者在 IRL 中权衡了噪声系数 (F)（图 3）。

在 LNA 电路模型中，RLC 组件使用简化的等效电路而不是制造商提供的 s2p 数据进行建模；主要原因是 s2p 数据缺乏即时更改组件值的便利性，其次，它们的频率限制为 6 GHz（可以模拟带外稳定性）

编辑：hfy