基于耦合抵消三绕组变压器的毫米波低噪声放大器设计及其在5G新空口应用中的宽带同时噪声与输入匹配研究

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：A 50–70.9-GHz LNA With Configured Coupled Transformer Achieving Sub-4 dB NF and 298.6-GHz GBW for 5GNR-FR2-2 and SATCOM

本文推荐一种采用耦合抵消三绕组变压器（CCT）的毫米波低噪声放大器（LNA）设计。该研究旨在解决传统LNA在实现宽带同时噪声与输入匹配（SNIM）时面临的挑战。研究人员通过引入一种新型耦合抵消技术，有效抑制了栅极-源极电感间的有害耦合，同时增强了栅极-输入和源极-输入电感间的有益耦合。结果表明，所设计的LNA在50-70.9 GHz频带内实现了23.1 dB的峰值增益和3.5 dB的最低噪声系数（NF），其增益带宽积（GBW）达到298.6 GHz。这项研究为5G新空口（NR）等宽带毫米波应用提供了一种高性能、小尺寸的LNA解决方案。

　　

随着第五代移动通信技术（5G）及未来通信系统向毫米波频段拓展，对支持高速数据传输的高性能接收前端提出了迫切需求。低噪声放大器（LNA）作为接收链路的首个有源模块，其性能至关重要，尤其是需要同时实现低噪声系数（NF）和良好的输入匹配（S₁₁），即同时噪声与输入匹配（SNIM），这在宽带设计中尤为困难。传统的电感退化或变压器反馈技术往往在带宽、噪声和面积上难以兼顾。特别是在V波段（50-75 GHz），晶体管的寄生电容效应显著，进一步增加了宽带SNIM的设计复杂度。因此，探索能够在不牺牲性能的前提下实现超宽带SNIM的新颖电路拓扑结构，成为当前研究的热点。

为了应对这一挑战，罗晓等人创新性地提出了一种基于耦合抵消三绕组变压器（CCT）的毫米波LNA设计，并成功在40纳米体硅CMOS工艺上实现。该研究的核心在于利用变压器绕组间的磁耦合特性，通过巧妙的布局和耦合极性设计，引入了一种“耦合抵消”机制。具体而言，该设计在传统的双绕组（栅极电感L_G和源极电感L_S）变压器匹配网络基础上，增加了第三个与输入端口相连的绕组（输入电感L_IN），构成三绕组变压器。通过精确控制三个绕组间的耦合系数（k_GIN, k_SIN, k_GS），使得栅极-源极间（k_GS）的负耦合与栅极-输入（k_GIN）、源极-输入（k_SIN）间的正耦合产生相互作用。这种耦合抵消效应有效削弱了k_GS对宽带SNIM的负面影响，同时强化了k_GIN和k_SIN的积极作用，从而在超宽带范围内将晶体管的最优噪声阻抗（Z_opt）推向源阻抗（通常50 Ω）附近。

本研究采用的关键技术方法主要包括：1） 提出并分析了耦合抵消三绕组变压器（CCT）的等效电路模型，用于实现宽带同时噪声与输入匹配（SNIM）；2） 采用了共源（CS）级与两级中和共源（G_m）级的三级放大架构，其中第一级CS级集成了CCT以实现噪声优化和输入匹配，后两级采用中和电容器以提升增益和稳定性；3） 利用磁耦合谐振器（MCR）作为级间匹配网络，以拓展带宽；4） 基于40纳米体硅CMOS工艺进行流片验证，芯片核心面积仅为0.076 mm2。

研究结果

S参数与带宽性能

测量结果显示，该LNA在62 GHz处获得23.1 dB的峰值功率增益。其3-dB带宽覆盖了50 GHz至70.9 GHz的频带，达到20.9 GHz，充分体现了宽带特性。输入回波损耗（|S₁₁| < -10 dB）的良好匹配带宽为47 GHz至73.2 GHz，覆盖了工作频带的大部分区域。反向隔离度（|S₁₂|）在整个频带内优于35 dB，表明良好的单向性。

噪声性能

噪声系数（NF）的测量结果表明，该LNA在57 GHz处获得最低平均噪声系数3.8 dB。在50 GHz至68 GHz的宽频带内，平均噪声系数的变化小于1.7 dB，表现出平坦且优良的噪声性能。这验证了CCT结构在宽频带内有效优化噪声匹配的能力。

线性度与稳定性

通过测量输入1-dB压缩点（IP_1dB）来评估线性度。在50 GHz和60 GHz下，IP_1dB分别为-11.8 dBm和-14 dBm。在整个工作频带内，IP_1dB在-11.8 dBm至-17.5 dBm之间变化。稳定性因子（k）在整个频带内均远大于1，且μ参数满足无条件稳定条件，确保放大器在各种终端条件下都能稳定工作。

调制信号测量

为了评估LNA对实际通信信号的放大质量，研究人员进行了调制测量。当输入60 GHz载波、500 MHz符号率的64-QAM和256-QAM调制信号时，测得的误差矢量幅度（EVM）分别优于-30.2 dB和-30.1 dB，邻道泄漏比（ACLR）优于32.8 dB。这表明该LNA能够高质量地放大高阶调制信号，满足高速通信系统的要求。

结论与意义

本研究成功设计并验证了一种基于耦合抵消三绕组变压器（CCT）的超宽带毫米波低噪声放大器。该设计的核心创新在于通过引入耦合抵消机制，有效解决了传统变压器匹配网络在实现宽带同时噪声与输入匹配（SNIM）时的矛盾。实验结果表明，该LNA在50-70.9 GHz频带内同时实现了高增益（23.1 dB）、低噪声（NF<4.5 dB）、宽带输入匹配以及良好的线性度。其增益带宽积（GBW）达到298.6 GHz，在与近期发表的其他毫米波CMOS LNA的性能对比中，展现了优异的综合性能指标（Figure of Merit）。这项研究不仅为5G新空口（NR）毫米波通信系统提供了一种高性能、小尺寸的前端放大器解决方案，而且所提出的耦合抵消变压器设计方法学对于其他频段和应用的宽带低噪声放大器设计也具有重要的借鉴意义。该论文已发表于《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》。