CN100557958C - 超高频低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

一种超高频低噪声放大器，采用Eunyda公司的FHX13LG低噪声放大管为三级级联形式，设置有输入匹配电路、第一、二级级间匹配电路、第二、三级级间匹配电路、输出匹配电路和各级的电源输入模块。本发明基于高电子迁移率场效应管的三级级联单端低噪声放大器，由于采用了高电子迁移率场效应管，并且专为12.7GHz～13.25GH频段作优化，因此成本仅为单片微波集成电路的一半，而且性能也比单片微波集成电路提高；根据评估板的测试结果，本发明的增益为24dB，输出加了6dB衰减，带内波动1dB，输入回波损耗＞12dB，噪声系数1.6dB～1.8dB，在全频带内无条件稳定。

Description

超高频低噪声放大器

技术领域

本发明涉及一种低噪声放大器，特别涉及一种应用于12.7GHz～13.25GHz的微波准同步数字系列/同步数字系列(PDH/SDH)室外单元的收发机的超高频低噪声放大器。

背景技术

应用于12.7GHz～13.25GHz的微波准同步数字系列/同步数字系列(PDH/SDH)室外单元的收发机，收信机的噪声性能直接影响到接收的灵敏度，而收信机的噪声主要由输入端低噪声放大器的噪声和增益决定。这个波段的低噪声放大器既可以采用单片微波集成电路(MMIC)，也可以用高电子迁移率场效应管(HEMT)配以专门的匹配电路来实现。单片微波集成电路(MMIC)相对容易，但成本较高，且性能不如后者；对于高电子迁移率场效应管(HEMT)，其有两个设计难点，即稳定性和兼顾噪声匹配与功率匹配。

发明内容

本发明的技术问题是要提供一种在全频带内无条件稳定，并且兼顾噪声匹配与功率匹配的超高频低噪声放大器。

为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种超高频低噪声放大器，其为三级级联形式，设置有输入匹配电路、第一～二级级间匹配电路、第二～三级级间匹配电路、输出匹配电路和各级的电源输入模块。

所述的输入匹配电路是，射频输入信号依次经传输线、渐变线、开路分支线、第一级栅极电源以及传输线。对此电路中的各个参数作了优化，实现双口同时功率匹配的输入端匹配，由于超高频低噪声放大器的输入端接微带-波导转换，因此无需隔直电容。所述的输入匹配电路是，射频输入端为第一传输线TL1，第一传输线TL1的输出端连接到第一渐变线Taper1与第一传输线TL1宽度相同的一端；第一渐变线Taper1呈梯形，第一渐变线Taper1的输出端连接到第二十字结Cros2；第二十字结Cros2的输入边宽度与第一渐变线Taper1相连的输出边宽度相等，第二十字结Cros2的输出端连接第二传输线TL2，第二十字结Cros2的上边与下边分别连接第三开路分支线TL3和第一级栅极电源；其中第二传输线TL2和第三开路分支线TL3为矩形，第二传输线TL2和第三开路分支线TL3的宽度分别与第二十字结Cros2的输出边宽度、上边宽度相等。

所述的第一～二级级间匹配电路是，射频输入信号依次经传输线、第一级漏极电源、传输线、隔直电容、传输线、开路分支线、第二级栅极电源以及传输线。对此电路中的各个参数作了优化，实现了当输入输出端同时作功率匹配时，超高频低噪声放大器的噪声系数最小。所述的第一～二级级间匹配电路是，用第一百一十隔直电容C110将两段微带结构相连，靠近第一百零一放大管U101输出端为第一十一传输线TL11，第一十一传输线TL11的另一端连接到第一T形结Tee1的输入端，第一T形结Tee1的输入边宽度与第一十一传输线TL11宽度相等，第一T形结Tee1的输出端连接第一个第二十一传输线TL21，第一T形结Tee1的上边与第一级漏极电源相连；该第一个第二十一传输线TL21的另一端连接第一百一十隔直电容C110，且该第一个第二十一传输线TL21的宽度与第一T形结Tee1的输出边宽度相等；第一百一十隔直电容C110的另一端连接第二个第二十一传输线TL21，该第二个第二十一传输线TL21的另一端连接到第一十字结Cros1的输入端；第一十字结Cros1的输入边宽度与该第二个第二十一传输线TL21的宽度相等，第一十字结Cros1的输出端连接第四传输线TL4，第一十字结Cros1的上边与下边分别连接第五开路分支线TL5和第二级栅极电压源；第四传输线TL4的宽度与该第二个第二十一传输线TL21的宽度相等；第五开路分支线TL5的宽度与第一十字结Cros1的上边宽度相等。

所述的第二～三级级间匹配电路是，射频输入信号依次经传输线、第二级漏极电源、传输线、隔直电容、第三级栅极电源以及传输线。以输入输出端同时作功率匹配时最大增益的平坦度为优化目标，对此电路中的各个参数作了优化。所述的第二～三级级间匹配电路是，用第一百一十一隔直电容C111将两段微带结构相连，靠近第一百零二放大管U102输出端为第一十二传输线TL12，第一十二传输线TL12另一端连接到第一十二T形结Tee12的输入端；第一十二T形结Tee12的输入边宽度与第一十二传输线TL12的宽度相等，第一二二T形结Tee12的输出端连接第二十二传输线TL22，第一十二T形结Tee12的上边与第二级漏极电源相连；第二十二传输线TL22另一端连接一个第一百一十一隔直电容C111，且第二十二传输线TL22的宽度与第一十二T形结Tee12的输出边宽度相等；第一百一十一隔直电容C111的另一端连接第二T形结Tee2的输入端，第二T形结Tee2的输出端连接第四十二传输线TL42，第二T形结Tee2的输出边宽度与第四十二传输线TL42的宽度相等；第二T形结Tee2的上边与第三级栅极电源相连。

所述的输出匹配电路是，射频输入信号依次经传输线、第三级漏极电源、开路分支线、隔直电容、渐变线以及传输线。对此电路中的各个参数作了优化，实现双口同时功率匹配的输出端匹配。所述的输出匹配电路是，用一个第一百九十六隔直电容C196将两段微带结构相连，靠近第一百九十放大管U190输出端为第一十三传输线TL13，第一十三传输线TL13的另一端连接到第三十字结Cros3；第三十字结Cros3的输入边宽度与第一十三传输线TL13的宽度相等，第三十字结Cros3的输出端连接第一百九十六隔直电容C196，第三十字结Cros3的上边和下边分别连接第三级漏极电源和第二十三开路分支线TL23；第二十三开路分支线TL23为矩形，其宽度与第三十字结Cros3的下边宽度相等；第一百九十六隔直电容C196的另一端连接第一十三渐变线Taper13；第一十三渐变线Taper13呈梯形，第一十三渐变线Taper13的输入端连接第一百九十六隔直电容C196，第一十三渐变线Taper13的输出端连接到第三十三传输线TL33，第一十三渐变线Taper13的输出边宽度与第三十三传输线TL33的宽度相等；第三十三传输线TL33的另一端为整个放大器的输出端。

所述的电源输入模块(即上述各级电源输入模块)的连接关系是，传输线、扇形面、传输线、圆弧线、传输线、圆弧线以及传输线。电源输入模块将直流电压供给放大管，同时将带内信号与电源隔离。对此电路中的各个参数作了优化，使从端口P1看进去的带内阻抗尽量高。所述的电源输入模块是，靠近放大器传输线一端为第一十四传输线TL14，在第一十四传输线TL14的另一端为第三T形结Tee3，第三T形结Tee3的输入边宽度等于第一十四传输线TL14的宽度，第三T形结Tee3的输出端连接第二十四传输线TL24，第三T形结Tee3的上边接第一扇形面Stub1；第一扇形面Stub1的输入边宽度与第三T形结Tee3上边的宽度相等；第二十四传输线TL24的输入边宽度等于第三T形结Tee3的输出边宽度，第二十四传输线TL24的另一端连接四分之一第一圆弧线Curve1；第一圆弧线Curve1线宽度等于第二十四传输线TL24宽度，半径为1mm，第一圆弧线Curve1的另一端连接第三十四传输线TL34；第三十四传输线TL34与第一圆弧线Curve1相切，第三十四传输线TL34的宽度等于第一圆弧线Curve1的线宽；第三十四传输线TL34的另一端接四分之一第二圆弧线Curve2，第二圆弧线Curve2与第三十四传输线TL34相切，第二圆弧线Curve2与第一圆弧线Curve1分别在第三十四传输线TL34的两侧，且第二圆弧线Curve2线宽度与第一圆弧线Curve1相等；第二圆弧线Curve2的另一端尺寸发生跳变，连接到宽度大于第二圆弧线Curve2线宽度的第四十四传输线TL44。

本发明优越功效在于：本发明基于高电子迁移率场效应管(HEMT)的三级级联单端低噪声放大器(LNA)，由于采用了高电子迁移率场效应管(HEMT)，并且专为12.7GHz～13.25GH频段作优化，因此成本仅为单片微波集成电路(MMIC)的一半，而且性能也比单片微波集成电路(MMIC)提高。根据评估板的测试结果，本发明在输出加6dB衰减器的情况下增益为24dB，带内波动1dB，输入回波损耗＞12dB，噪声系数1.6dB～1.8dB，在全频带内无条件稳定。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图；

图2为本发明的输入匹配电路的原理框图；

图3为本发明的第一～二级级间匹配电路的原理框图；

图4为本发明的第二～三级级间匹配电路的原理框图；

图5为本发明的输出匹配电路的原理框图；

图6为本发明的电源输入模块的原理框图；

图7为本发明的S参数测试结果图；

图8为本发明的噪声测试结果图。

图中标号说明

1-输入匹配电路和电源输入模块；

2-第一～二级级间匹配电路和电源输入模块；

3-第二～三级级间匹配电路和电源输入模块；

4-输出匹配电路和电源输入模块；

20-放大管。

具体实施方式

请参阅附图所示，对本发明作进一步的描述。

如图1本发明的电路原理框图所示，本发明以13GHz频段为例，超高频低噪声放大器及其匹配电路、电源电路的参数如下：采用Eunyda公司的FHX13LG低噪声20-放大管U101、U102、U190组成三级级联形式，设置有输入匹配电路和电源输入模块1、第一～二级级间匹配电路和电源输入模块2、第二～三级级间匹配电路和电源输入模块3、输出匹配电路和电源输入模块4。

如图2本发明的输入匹配电路的原理框图所示，本发明的输入匹配电路是，射频输入信号依次经第一传输线TL1、第一渐变线Taper1、第三开路分支线TL3、第一级栅极电源以及第二传输线TL2。如表一所示，对此电路中的各个参数作了优化，实现双口同时功率匹配的输入端匹配，由于超高频低噪声放大器的输入端接微带-波导转换，因此无需隔直电容。

表一

如图3本发明的第一～二级级间匹配电路的原理框图所示，本发明的第一～二级级间匹配电路是，射频输入信号依次经第一十一传输线TL11、第一级漏极电源、第二十一传输线TL21、第一百一十隔直电容C110、另一第二十一传输线TL21、第五开路分支线TL5、第二级栅极电源以及第四传输线TL4。如表二所示，对此电路中的各个参数作了优化，实现了当输入输出端同时作功率匹配时，超高频低噪声放大器的噪声系数最小。

表二

如图4本发明的第二～三级级间匹配电路的原理框图所示，本发明的第二～三级级间匹配电路是，射频输入信号依次经第一十二传输线TL12、第二级漏极电源、第二十二传输线TL22、第一百一十一隔直电容C111、第三级栅极电源以及第四十二传输线TL42。以输入输出端同时作功率匹配时最大增益的平坦度为优化目标，对此电路中的各个参数作了优化，如表三所示。

表三

如图5本发明的输出匹配电路的原理框图所示，本发明的输出匹配电路是，射频输入信号依次经第一十三传输线TL13、第三级漏极电源、第二十三开路分支线TL23、第一百九十六隔直电容C196、第一十三渐变线Taper13以及第三十三传输线TL3。如表四所示，对此电路中的各个参数作了优化，实现双口同时功率匹配的输出端匹配。

表四

如图6本发明的电源输入模块的原理框图所示，本发明的电源输入模块的连接关系是，第一十四传输线TL14、第一扇形面STUB1、第二十四传输线TL24、第一圆弧线Curve1、第三十四传输线TL34、第二圆弧线Curve2以及第四十四传输线TL44。电源输入模块将直流电压供给放大管20，同时将带内信号与电源隔离。如表五所示，对此电路中的各个参数作了优化，使从端口P1看进去的带内阻抗尽量高。

表五

本发明中采用了Eunyda公司的FHX13LG低噪声20-放大管U101、U102、U190，其电路尺寸为：封装边缘到最近过孔的距离为0.2mm，过孔直径为0.3mm；两个源极引线相连，并在它们中间多加一个过孔，以减少源极电路寄生效应的影响。

为验证本发明的实用性，制作了评估板，评估板的输入端采用了波导-微带转换，输出加了6dB衰减器。如图7本发明的S参数测试结果图所示，根据测试评估板带内增益约24dB，波动小于1dB；输入回波损耗大于12dB，满足实际应用的要求。如图8本发明的噪声测试结果图所示，在输出端加6dB衰减器的情况下，超高频低噪声放大器的噪声系数为1.6dB～1.8dB，满足实际应用的指标要求，实现了全频带无条件稳定。

Claims (1)

1、一种超高频低噪声放大器，其特征在于：

放大器为三级级联形式，设置有输入匹配电路、第一～二级级间匹配电路、第二～三级级间匹配电路、输出匹配电路和各级的电源输入模块；

其中：

所述的输入匹配电路是，射频输入端为第一传输线(TL1)，第一传输线(TL1)的输出端连接到第一渐变线(Taper1)与第一传输线(TL1)宽度相同的一端；第一渐变线(Taper1)呈梯形，第一渐变线(Taper1)的输出端连接到第二十字结(Cros2)；第二十字结(Cros2)的输入边宽度与第一渐变线(Taper1)相连的输出边宽度相等，第二十字结(Cros2)的输出端连接第二传输线(TL2)，第二十字结(Cros2)的上边与下边分别连接第三开路分支线(TL3)和第一级栅极电源；其中第二传输线(TL2)和第三开路分支线(TL3)为矩形，第二传输线(TL2)和第三开路分支线(TL3)的宽度分别与第二十字结(Cros2)的输出边宽度、上边宽度相等；

所述的第一～二级级间匹配电路是，用第一百一十隔直电容(C110)将两段微带结构相连，靠近第一百零一放大管(U101)输出端为第一十一传输线(TL11)，第一十一传输线(TL11)的另一端连接到第一T形结(Tee1)的输入端，第一T形结(Tee1)的输入边宽度与第一十一传输线(TL11)宽度相等，第一T形结(Tee1)的输出端连接第一个第二十一传输线(TL21)，第一T形结(Tee1)的上边与第一级漏极电源相连；该第一个第二十一传输线(TL21)的另一端连接第一百一十隔直电容(C110)，且该第一个第二十一传输线(TL21)的宽度与第一T形结(Tee1)的输出边宽度相等；第一百一十隔直电容(C110)的另一端连接第二个第二十一传输线(TL211)，该第二个第二十一传输线(TL211)的另一端连接到第一十字结(Cros1)的输入端；第一十字结(Cros1)的输入边宽度与该第二个第二十一传输线(TL211)的宽度相等，第一十字结(Cros1)的输出端连接第四传输线(TL4)，第一十字结(Cros1)的上边与下边分别连接第五开路分支线(TL5)和第二级栅极电压源；第四传输线(TL4)的宽度与该第二个第二十一传输线(TL211)的宽度相等；第五开路分支线(TL5)的宽度与第一十字结(Cros1)的上边宽度相等；

所述的第二～三级级间匹配电路是，用第一百一十一隔直电容(C111)将两段微带结构相连，靠近第一百零二放大管(U102)输出端为第一十二传输线(TL12)，第一十二传输线(TL12)另一端连接到第一十二T形结(Tee12)的输入端；第一十二T形结(Tee12)的输入边宽度与第一十二传输线(TL12)的宽度相等，第一十二T形结(Tee12)的输出端连接第二十二传输线(TL22)，第一十二T形结(Tee12)的上边与第二级漏极电源相连；第二十二传输线(TL22)另一端连接一个第一百一十一隔直电容(C111)，且第二十二传输线(TL22)的宽度与第一十二T形结(Tee12)的输出边宽度相等；第一百一十一隔直电容C111的另一端连接第二T形结(Tee2)的输入端，第二T形结(Tee2)的输出端连接第四十二传输线(TL42)，第二T形结(Tee2)的输出边宽度与第四十二传输线(TL42)的宽度相等；第二T形结(Tee2)的上边与第三级栅极电源相连；

所述的输出匹配电路是，用一个第一百九十六隔直电容(C196)将两段微带结构相连，靠近第一百九十放大管(U190)输出端为第一十三传输线(TL13)，第一十三传输线(TL13)的另一端连接到第三十字结(Cros3)；第三十字结(Cros3)的输入边宽度与第一十三传输线(TL13)的宽度相等，第三十字结(Cros3)的输出端连接第一百九十六隔直电容(C196)，第三十字结(Cros3)的上边和下边分别连接第三级漏极电源和第二十三开路分支线(TL23)；第二十三开路分支线(TL23)为矩形，其宽度与第三十字结(Cros3)的下边宽度相等；第一百九十六隔直电容(C196)的另一端连接第一十三渐变线(Taper13)；第一十三渐变线(Taper13)呈梯形，第一十三渐变线(Taper13)的输入端连接第一百九十六隔直电容(C196)，第一十三渐变线(Taper13)的输出端连接到第三十三传输线(TL33)，第一十三渐变线(Taper13)的输出边宽度与第三十三传输线(TL33)的宽度相等；第三十三传输线(TL33)的另一端为整个放大器的输出端；

所述的电源输入模块是，靠近放大器传输线一端为第一十四传输线(TL14)，在第一十四传输线(TL14)的另一端为第三T形结(Tee3)，第三T形结(Tee3)的输入边宽度等于第一十四传输线(TL14)的宽度，第三T形结(Tee3)的输出端连接第二十四传输线(TL24)，第三T形结(Tee3)的上边接第一扇形面(Stub1)；第一扇形面(Stub1)的输入边宽度与第三T形结(Tee3)上边的宽度相等；第二十四传输线(TL24)的输入边宽度等于第三T形结(Tee3)的输出边宽度，第二十四传输线(TL24)的另一端连接四分之一第一圆弧线(Curve1)；第一圆弧线(Curve1)线宽度等于第二十四传输线(TL24)宽度，半径为1mm，第一圆弧线(Curve1)的另一端连接第三十四传输线(TL34)；第三十四传输线(TL34)与第一圆弧线(Curve1)相切，第三十四传输线(TL34)的宽度等于第一圆弧线(Curve1)的线宽；第三十四传输线(TL34)的另一端接四分之一第二圆弧线(Curve2)，第二圆弧线(Curve2)与第三十四传输线(TL34)相切，第二圆弧线(Curve2)与第一圆弧线(Curve1)分别在第三十四传输线(TL34)的两侧，且第二圆弧线(Curve2)线宽度与第一圆弧线(Curve1)相等；第二圆弧线(Curve2)的另一端尺寸发生跳变，连接到宽度大于第二圆弧线(Curve2)线宽度的第四十四传输线(TL44)。

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