gan基x波段低噪声放大器与ed模电平转换电路研究与设计实现-research and design of gan - based x - band low noise amplifier and ed mode level conversion circuit.docx

摘 要低噪声放大器(LNA) 和移相器在射频接收机中位于雷达系统接收机的前端， 其对射频接收系统的性能具有决定性的作用。随着氮化镓(GaN) 基器件和微波集 成电路技术(MMIC) 工艺的发展成熟，GaN 基 LNA 和移相器的需求大大增加。本 文的研究工作就是基于 MMIC 技术，研制了 GaN 基 X 波段 LNA 和用于控制 GaN 基移相器的 GaN 基 E/D 模电平转换电路。在整个设计低噪声放大器过程中，采 用了一种新的设计思路，降低了电路设计从原理图转向版图的过程中的性能误差。 在 GaN 基 E/D 模电平转换电路的过程中，提出了一种在现有工艺下可以实现的 电路结构，较好地满足了设计要求。论文分析了 MMIC 中无源平面螺旋电感的非理想效应，设计了电感量从 0.4nH 到 7.1nH 的 15 个平面螺旋电感。完成了 X 波段 8~12GHz 频段内 GaN 基 LNA 的设计，确定了电路整体拓扑结构，分析了管子的稳定性，完成了电路的偏置网 络、匹配网络等，并完成原理图的仿真。然后将原理图中的电感换成所设计的平 面螺旋电感，对电路进一步调节，进一步得到电路的原理图，最后实现了 LNA 的 版图，并对版图进行了后仿。版图面积为 2mm*0.9mm，电路增益 S21 不小于 15.291dB ；带内增益摆幅小于 1dB ；噪声系数不大于 2.6dB。论文分析了设计 GaN 基 E/D 模电平转换电路现有的条件，提出了能在现有工 艺条件下可实现的电路结构，经仿真验证了结构的正确性。对电路进行了带负载 能力的测试，并设计了电路的输入端保护电路，最后设计了 GaN 基 E/D 模电平 转换电路的版图。关键字：氮化镓X 波段低噪声放大器增强耗尽型电平转换电路AbstractLow Noise Amplifier (LNA) and Phase Shifter is the front-end of Radio Frequency receiver (RF receiver) in a radar system, which determines the character of RF receiver. Along with development of the Gallium Nitride (GaN) based devices and the monolithic microwave integrated circuit (MMIC) technology, the need of GaN based low noise amplifier and phase shifter with high performa nce expands increasingly. In this paper, a LNA covering X band is designed based on GaN based MMIC technology, and a GaN based enhancement/depletion (E/D) voltage level shifter is designed. Throughout the design process, a novel design idea is adopted, reducing the performance error of turning the circuit design from schematic to layout. In the design of GaN based E/D mode voltage level shifter, based on the existing semiconductor process, a new circuit structure is presented, meet the need of the design requirement.This paper analyses the non-ideal effects of planar spiral inductors, and completes 15planar spiral inductors, whose inductances range from 0.4nH to 7.1nH. This paper completes the design of X-band from 8GHz to 12GHz low noise amplifier, including the design of whole topology structur e, analyses the stability of the device, the design of