本文介绍了一项关于低噪声放大器（Low-Noise Amplifier, LNA）的研究，该研究由Jiajun Zhang、Dixian Zhao和Xiaohu You等人完成，并于2020年10月发表在《IEEE Journal of Solid-State Circuits》期刊上。研究团队来自东南大学的国家移动通信研究实验室和紫金山实验室。该研究旨在设计一种适用于卫星通信的低功耗、低噪声放大器，特别是在K波段（17.7–20.2 GHz）和Ka波段（27.5–30 GHz）的应用中。

研究背景

随着下一代高通量卫星（High-Throughput Satellites, HTS）和低地球轨道（Low Earth Orbit, LEO）卫星的发展，卫星通信对高数据速率、低成本和低功耗的需求日益增加。在卫星通信系统中，低噪声放大器是接收机前端的关键模块，其噪声系数（Noise Figure, NF）直接影响整个系统的性能。此外，由于卫星通信系统通常采用大规模相控阵天线（Phased-Array Antenna），每个天线单元都需要一个低噪声放大器，因此低功耗设计尤为重要。

传统的低噪声放大器设计通常采用共源（Common Source, CS）结构，虽然能够实现噪声和输入匹配，但在低功耗条件下性能受限。共栅（Common Gate, CG）结构虽然具有宽带输入匹配的优势，但其增益较低且噪声系数较高。为了解决这些问题，研究团队提出了一种结合电流复用（Current-Reuse）技术和跨导增强（gm-Boost）技术的低噪声放大器设计。

研究流程

研究团队设计了一种两级结构的低噪声放大器，第一级为单端共栅结构，第二级为差分共源结构。通过电流复用技术，两级结构共享电流，从而降低了功耗。此外，研究团队还采用了基于变压器的跨导增强技术，进一步提高了增益并降低了噪声系数。

1. 电流复用技术：通过将共栅和共源级堆叠在一起，两级结构共享电流，从而减少了功耗。研究团队通过仿真验证了该技术在增益和噪声系数上的表现，结果表明，电流复用技术在降低功耗的同时，仅对增益和噪声系数有轻微影响。

2. 跨导增强技术：通过在共栅级引入变压器，研究团队实现了跨导增强，从而提高了增益并降低了噪声系数。研究团队详细分析了变压器的自感、耦合系数等参数对放大器性能的影响，并提出了一种优化的变压器设计方法。

3. 磁耦合谐振器（Magnetically Coupled Resonator, MCR）：为了扩展带宽，研究团队在两级之间引入了基于变压器的磁耦合谐振器。通过优化谐振器的设计，研究团队实现了低损耗、低纹波的宽带匹配网络。

主要结果

研究团队在65纳米CMOS工艺下实现了该低噪声放大器，并进行了测试。测试结果表明，该放大器在21 GHz频率下实现了14.9 dB的功率增益，-3 dB带宽为4.8 GHz。最低噪声系数为3.3 dB，且在17 GHz至21 GHz范围内噪声系数低于4 dB。放大器的功耗仅为1.9 mW，芯片面积为600 μm × 700 μm。

结论与意义

该研究提出了一种适用于卫星通信的低功耗、低噪声放大器设计，通过电流复用和跨导增强技术，成功实现了高增益、低噪声和低功耗的性能。该设计的创新之处在于结合了变压器的跨导增强技术和磁耦合谐振器，扩展了带宽并优化了性能。该研究为毫米波相控阵卫星终端的低噪声放大器设计提供了新的思路，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

1. 低功耗设计：通过电流复用技术，研究团队成功将放大器的功耗降低至1.9 mW，同时保持了较高的增益和较低的噪声系数。
2. 跨导增强技术：基于变压器的跨导增强技术显著提高了放大器的增益并降低了噪声系数，为低噪声放大器的设计提供了新的方法。
3. 宽带匹配网络：通过磁耦合谐振器，研究团队实现了宽带匹配网络，扩展了放大器的带宽，满足了卫星通信的需求。

其他有价值的内容

研究团队还详细分析了变压器的自感、耦合系数等参数对放大器性能的影响，并提出了一种优化的变压器设计方法。这些分析为未来的低噪声放大器设计提供了重要的理论支持。

总的来说，该研究在低功耗、低噪声放大器的设计上取得了重要进展，为卫星通信系统的进一步发展提供了技术支持。