本文介绍了一项关于宽带低噪声放大器（Low-Noise Amplifier, LNA）的研究，该研究由Hongchen Chen、Haoshen Zhu、Liang Wu、Quan Xue和Wenquan Che等人共同完成，并于2022年1月发表在《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》期刊上。该研究的主要目标是设计一种在7.2至27.3 GHz频段内具有低且平坦噪声系数（Noise Figure, NF）的宽带LNA，以应对现代无线通信系统中对宽带接收器的需求。

研究背景与动机

随着多频段、多标准和超宽带（Ultra-Wideband, UWB）无线电技术的发展，宽带接收器的需求日益增加。宽带LNA作为接收器中的关键组件，负责从天线接收微弱信号并进行放大，同时在整个频段内保持良好的信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）。CMOS技术由于其高集成度、低成本和良好的可扩展性，已成为无线通信系统中射频收发器实现的主流技术。然而，传统的宽带噪声匹配方法在高频段的噪声性能往往较差，主要原因是MOSFET的最小噪声系数（NFmin）随频率增加而增加。因此，如何在宽带范围内实现低且平坦的噪声系数成为了一个重要的研究课题。

研究方法与创新

本研究提出了一种新颖的宽带噪声匹配方法，旨在通过在高频段进行噪声匹配，以牺牲低频段噪声系数的轻微增加为代价，实现整体噪声性能的优化。具体来说，该方法通过多级噪声匹配技术（Multistage Noise Matching Technique）进一步减少由第二级放大引入的噪声。研究团队设计并制造了一个基于65 nm CMOS工艺的两级LNA原型，并通过实验验证了所提出技术的有效性。

研究流程与实验设计

1. 电路设计与实现：研究团队设计了一个两级LNA电路，第一级采用CMOS晶体管对（M1n和M1p）以提高跨导（gm1），第二级采用共源共栅（Cascode）结构以补偿增益并实现宽带频率响应。通过变压器TR1和TR2实现输入匹配和噪声匹配。

2. 噪声匹配分析：研究团队详细分析了第一级的噪声模型，并通过调整变压器TR1和晶体管M1的参数，使得噪声系数在高频段接近最小值（NFmin）。此外，通过引入多级噪声匹配技术，进一步减少了第二级放大引入的噪声。

3. 实验验证：研究团队在65 nm CMOS工艺下制造了LNA原型，并通过实验测量了其性能。实验结果表明，该LNA在7.2至27.3 GHz频段内的峰值增益为16.6 dB，噪声系数在3.30至3.72 dB之间，表现出极低的噪声系数平坦度（0.21 dB）。

主要结果与结论

实验结果表明，所设计的LNA在7.2至27.3 GHz频段内表现出优异的噪声性能，噪声系数在整个频段内几乎保持恒定（3.3至3.4 dB），测量结果也验证了设计的有效性。此外，该LNA的功耗仅为13.2 mW，芯片核心面积仅为0.14 mm²，具有较高的集成度和低功耗特性。

研究的意义与价值

本研究提出的宽带噪声匹配方法和多级噪声匹配技术为宽带LNA的设计提供了新的思路，特别是在毫米波（Millimeter-Wave, mm-Wave）频段的应用中具有重要的科学和应用价值。该研究不仅为宽带LNA的设计提供了理论支持，还为未来5G通信系统和其他高频无线通信系统的实现提供了技术基础。

研究亮点

1. 创新的噪声匹配方法：通过在高频段进行噪声匹配，实现了低且平坦的噪声系数，显著提升了宽带LNA的整体噪声性能。
2. 多级噪声匹配技术：通过引入多级噪声匹配技术，进一步减少了第二级放大引入的噪声，提高了LNA在高频段的性能。
3. 实验结果优异：实验结果表明，所设计的LNA在7.2至27.3 GHz频段内具有极低的噪声系数平坦度（0.21 dB），且功耗和芯片面积均表现出色。

总结

本研究通过提出新颖的宽带噪声匹配方法和多级噪声匹配技术，成功设计并验证了一种在7.2至27.3 GHz频段内具有低且平坦噪声系数的宽带LNA。该研究不仅为宽带LNA的设计提供了新的理论支持，还为未来高频无线通信系统的实现提供了重要的技术参考。