ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2021. № 2
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.2.12
УДК 621.375.132
GaN МИС малошумящего усилителя Х-диапазона
Е. Кудабай, А. Салих, В.А.Мосейчук, А. Кривцун, Д. С. Брагин, В. Д.Дмитриев
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 634045, Томск, ул. Ленина, 40
Статья поступила в редакцию 5 ноября 2020 г., после доработки – 17 февраля 2021 г.
Аннотация. Целью данной работы является проектирование монолитно-интегральной схемы (МИС) малошумящего усилителя (МШУ) X-диапазона (7-12 ГГц) на основе технологии нитрид-галлиевого (GaN) транзистора с повышенной подвижностью электронов (HEMT) с шириной ножки Т-образного затвора в 100 нм на кремниевой (Si) полуизолирующей подложке французской компании OMMIC. Усилитель основан на транзисторах с общим истоком с последовательной отрицательной обратной связью (ООС) в виде высокоомного отрезка линии передач, а также с параллельной ООС для согласования коэффициента шума и коэффициента усиления по мощности (КПМ) в соответствии с методикой совмещенного согласования. Ключевыми характеристиками МШУ являются коэффициент шума и коэффициент усиления. В данной статье было принято решение о проектировании МШУ, который должен иметь хороший запас с точки зрения входной и выходной мощности. В результате чего была выбрана GaN технология, которая обладает большим, по сравнению с иными технологиями, коэффициентом шума, но позволяет отказаться от ограничителя мощности на входе, который в значительной степени повышает общий коэффициент шума. В результате разработки и применения метода совмещенного согласования была разработана МИС МШУ со следующими характеристиками: коэффициент шума менее 1.6 дБ, мало-сигнальное усиление более 20 дБ, возвратные потери менее -13 дБ и выходная мощность более 19 дБмВт с компрессией КПМ на 1 дБ в диапазоне от 7 до 12 ГГц в габаритах 2х1.5 мм², который обладает напряжением питания 8 В и потреблением тока менее 70 мА. На данном этапе реализовано только моделирование МШУ в среде AWR DE.
Ключевые слова: нитрид-галлия (GaN), HEMT, МШУ, Х-диапазон, СВЧ МИС, коэффициент шума, метод совмещенного согласования.
Abstract. The purpose of this paper is to design a microwave monolithic integrated circuit (MMIC) for low noise amplifier (LNA) X-band (7-12 GHz) based on technology of gallium nitride (GaN) high electron mobility transistor (HEMT) with a T-gate, which has 100 nm width, on a silicon (Si) semi-insulating substrate of the OMMIC company. The amplifier is based on common-source transistors with series feedback, which was formed by high-impedance transmission line, and with parallel feedback to match noise figure and power gain. The key characteristics of an LNA are noise figure and gain. However, in this paper, it was decided to design the LNA, which should have a good margin in terms of input and output power. As a result, GaN technology was chosen, which has a higher noise figure compared to other technologies, but eliminates the need for an input power limiter, which in turn significantly increases the overall noise figure. As a result LNA MMIC was developed with the following characteristics: noise figure less than 1.6 dB, small-signal gain more than 20 dB, return loss better than -13 dB and output power more than 19 dBm with 1 dB compression in the range from 7 to 12 GHz in dimensions 2x1.5 mm², which has a supply voltage of 8 V and a current consumption of less than 70 mA. However, it should be said that LNA was only modeled in the AWR DE.
Keywords: gallium nitride (GaN), HEMT, low-noise amplifier (LNA), Х-band, MMIC, noise figure (NF).
Литература
1. Mattamana A., Gouty W., Khalil W., Watson P., Patel V.J. Multi-octave and Frequency-agile LNAs Covering S-C Band using 0.25 μm GaN Technology. IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS). 23-26 Oct. 2016.
2. Andrei C., Bengtsson O., Doerner R., Chevtchenko S.A., Heinrich W., Rudolph M. Dynamic behaviour of a Low-Noise Amplifier GaN MMIC under input power overdrive. European Microwave Conference (EuMC). 7-10 Sept. 2015.
3. Schmid U, Reber R., Schuh P., Oppermann M. Robust Wideband LNA Designs. European Microwave Integrated Circuit Conference. 6-7 Oct. 2014.
4. Kobayashi K.W., Campbell C., Lee C., Gallagher J., Shust J., Botelho A. A Reconfigurable S-/X-band GaN Cascode LNA MMIC. IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS). 22-25 Oct. 2017
5. Chang W., Jeon G.-Y., Park Y.-R., Lee S., Mn J.-K. X-band Low Noise Amplifier MMIC Using AlGaN/GaN HEMT Technology on SiC Substrate. 2013 Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings (APMC-2013). 5-8 Nov. 2013.
6. Vittori M., Colangeli S., Ciccognani W., Salvucci A., Polli G., Limiti E. High performance X-band LNAs using a 0.25 µm GaN technology. 13th Conference on Ph.D. Research in Microelectronics and Electronics (PRIME). 12-15 June 2017.
7. Zheng P, Zhang S., Xu J., Wang R., Tong X. A 23-31 GHz Robust Low-Noise Amplifier with 1.1 dB Noise Figure and 28 dBm Psat. 49th European Microwave Conference (EuMC). 1-3 Oct. 2019.
8. Кондратенко А.В., Баров А.А., Арыков В.С. GaAs МИС малошумящего усилителя Х-диапазона. Микроэлектроника СВЧ: Сборник трудов конференции. 2012. №1. C.160 – 164.
9. Текшев В.Б. Минимизация изменения коэффициента шума усилителя сканирующей приемной активной фазированной антенной решетки. В сб. Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. 1994. 462 с.
10. Robertson I.D., Lucyszyn S. RFIC and MMIC design and technology. London, IEE. 2001. 582 p.
Для цитирования:
Кудабай Е., Салих А., Мосейчук В.А., Кривцун А., Брагин Д.С., Дмитриев В.Д. GaN МИС малошумящего усилителя Х-диапазона. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №2. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.2.12