CN100566018C

CN100566018C - 低噪声放大器对的输入布置

Info

Publication number: CN100566018C
Application number: CNB2005800093486A
Authority: CN
Inventors: E·尼拉南; H·纳希; J·普奥斯卡里; P·科斯克拉
Original assignee: Filtronic Comtek Oy
Current assignee: Power Wave Finland Co; Powerwave Comtek Oy; Intel Corp; Powerwave Technologies Inc; P Wave Holdings LLC
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2025-03-04
Also published as: CN1938898A; FI20040433A; BRPI0508116A; BRPI0508116A8; US7526263B2; EP1728295B1; US20070132528A1; WO2005091428A1; EP1728295A1; FI119710B; FI20040433A0

Abstract

用于处理无线电接收机的天线信号和将其引导到并联放大器支路的低噪声放大器LNA的布置。在从天线到放大器LNA的接收机的传输路径上，功能不同的元件组合成物理联合元件，诸如天线滤波器的低通部分的导体(432，433)和Wilkinson分配器(430)的分配导体，以及移相器的导体(441)和LNA匹配电路的电感部分(L1)。每一物理联合元件是导体，其通过空气或低损耗介电材料与地平面绝缘。该布置减少天线和放大器间的损耗部分的数量，以及避免将这些部分放在普通电路板上。为此，与现有技术相比，低噪声值能容许用于每一LNA。另外，当在其中不需要分立线圈时，LNA的输入阻抗的匹配变为更精确。

Description

低噪声放大器对的输入布置

技术领域

本发明涉及用于处理无线电接收机的天线信号和将其引导到低噪声放大器的布置。该布置适合用在移动通信网的基站的接收端上和卫星接收机中，例如由两个并行和相控放大器支路组成的低噪声放大器单元。

背景技术

在所有无线电接收机中，天线后的第一放大器当进入接收机时应当尤其是低噪声型，因为该放大器的输入处的信号电平非常低，以及在所有后续放大器级中，放大由放大器引起的另外的噪声。缩写LNA通常用于这种低噪声前置放大器。因此，在本说明书和权利要求书中也是如此。在用于LNA及其输入和输出电路的总噪声指数的接收机中，通常指定一些许可的最大值。发射路径上的损耗引起信号的衰减，使噪声指数直接增加同样量。因此，例如，如果接收机的天线滤波器是非常低的损耗，LNA的噪声指数也相应地高一点。

图1表示接收机的天线端部分的共用结构的框图。除天线和可能的天线开关外，结构包括天线滤波器、信号分配器、两个并行放大器支路和信号合成器。在该图的例子中，天线滤波器RXF具有两个部分：从天线开始，首先为带通滤波器110，然后为低通滤波器120。前者衰减无线电系统的接收频带外的频率分量，后者进一步清除在接收频带上的范围。来自低通滤波器120的信号E_in在分配器130中划分成两个相互相同的部分E₁₁和E₂₁。第一分配信号E₁₁通向第一放大器支路，其相位在移相器140中改变90度，然后在第一LNA170中放大。放大器的输入阻抗必须相互匹配，为此，在其输入中存在第一匹配电路150。第一LNA输出信号E₁₂。第二分配信号E₂₁通向第二放大器支路，其在第二LNA180中被放大，在其输入中，存在第二匹配电路160。然后，在第二移相器PSC中，使该信号的相位改变90度，输出信号E₂₂。再次，同相信号E₁₂和E₂₂在合成器CMB中被求和，其输出信号E_out继续到接收机的混频器。另外，图1还表示放大器输出匹配电路，其不落在本发明的范围内，如块M。与信号LNA相比，在上述布置中，尤其是朝向放大器的天线滤波器的阻抗匹配更容易。另外，实现更宽动态和线性区以及更好稳定性。另一方面，它们所需的分配器、移相器以及另外的布线引起信号更多衰减，如所述，直接减少LNA的噪声指数。

在本说明书和权利要求书中，名称“前级”用于包括这些从天线到低噪声放大器的接收机部分。

图2表示根据图1的放大器对的已知输入布置的例子。包括电路板201，在该图中不可见的其下表面为导电的并充当信号地GND。集成天线滤波器RXF包括谐振器，其输出通过其端壁上的连接器225连接到同轴电缆229，其具有50Ω的特性阻抗。导电电缆外皮在其两端连接到信号地。电缆229在电路板201上继续充当传输线，其包括板的上表面上的微带231、下表面上的接地导体其它们间的介电材料。尺寸化传输线以便其特性阻抗为50Ω。其属于分配器230，作为其输入线。分配器为Wilkinson型，其表示上述输入线分支成两条传输线，其在此称为分配线。它们的长度在操作频率上为λ/4，以及它们的特性阻抗为√2·50≈71Ω。第一分配线由该板的上表面上的第一分配导体232、下表面上的接地导体以及它们间的介电材料形成，以及第二分配线相应地由该板的上表面上的第二分配导体233、下表面上的接地导体以及它们间的介电材料形成。当第一和第二分配导体的末端通过2·50＝100Ω的值的电阻器234连接在一起时，形成Wilkinson分配器。在那种情况下，如果两个传输线支路已经端接50Ω的阻抗，来自滤波器的能量被一半一半划分成它们，以及理论上没有损耗。因此，尽管其中的电阻器，分配器仍不消耗能量。只有继续向前的传输线路上的匹配不足时，电阻器234才会引起损耗。另外，实现支路间的良好绝缘。第一分配线路继续为移相器，其通过四分之一波长的长传输线实现。为第一分配导体232的延续的该传输线的微带241如图2所见。那一微带在包括串联的空心线圈L1和片状电容器C1的第一匹配电路250中终止。后者同时充当去耦电容器。匹配电路在其末端通过短微带连接到第一LNA270的输入管脚。第二分配导体233在电阻器234侧的末端连接到以与第一匹配电路相同的方式，包括串联的线圈L2和电容器C2的第二匹配电路。第二匹配电路在其末端通过短的微带连接到第二LNA280的输入管脚。

根据图2的布置具有实际上产生损耗的缺陷：电路板材料在分配器230和移相器中均引起介电损耗，在前者的损耗值通常为0.2-0.5dB，以及在后者中为0.1-0.3dB。从滤波器到分配器的传输线229及其连接器引起另外的损耗，其值能是几十分贝，通常由线路的长度而定。放大器的输入端上的匹配电路的损耗也相当大。另外，匹配电路的线圈引起制造问题，因为其电感的变化实际上非常宽，以致操作频带上的阻抗匹配可能不足。这意味着分配器中的另外的损耗。对应于所有损耗的误差使放大器单元的噪声指数直接增加相同量。因此，如果总噪声指数必须保持尽可能低，LNA本身的需求相应地增加。

图3表示根据图1的放大器对的已知输入布置的另一例子。这不同于图2的布置之处仅在于低通滤波器，否则电路就是相同的。在该例子中，低通滤波器320包括电路板301的上表面上的导体区以及下表面的平面信号地。导体区包括直且相对窄的微带321，其从滤波器的输入延伸到其输出，以及实质特性是其电感。微带321具有横向放大，诸如放大322，相对于地平面，其实质特性是它们的电容。由此该结构对应于由分立元件，以及串联的线圈，和连接到每两个线圈间的地的电容器实现的LC电路。在图3的例子中，有四个“线圈”和三个“电容器”，在每一种情况下，低通滤波器的级数为七。阻抗和电容的值通常由导电区的部分的尺寸而定，其尺寸由此确定滤波器响应。滤波器320的微带321继续作为微带331，其连同电路板的下表面上的地和它们间的介电材料形成Wilkinson分配器330的输入线。为改进滤波器320和分配器330的相互匹配，在电路板的上表面上的微带和接地间，在它们的结合处存在电容器307。

因为滤波器解决方案，图3的布置比图2的布置更紧凑。在这种情况下，敷设电缆不会导致损耗，但由于电路板中的低通滤波器处产生的介电损耗，引起新的缺陷。其中，如图2的例子中，通过选择低损耗材料，诸如聚四氟乙烯，代替通常使用的电路板材料，降低这些损耗。然而，在那种情况下，存在生产成本显著增加的缺点。

发明内容

本发明的目的是减少现有技术的上述缺陷。根据本发明的布置的特征在于如独立权利要求1中所述。在其他权利要求中提出了本发明的一些优选实施例。

本发明的基本观点如下：在从天线到低噪声放大器的接收机的前级的传输线路上，将功能上不同的元件组合成物理联合元件。用这种方式，通过Wilkinson分配器和具有LNA的匹配电路的移相器，联合天线滤波器的低通部分。每一物理联合元件是导体，其通过空气或一些低损耗介电材料与地平面绝缘。

本发明具有降低低噪声放大器前的接收机的前级的损耗，即降低由传输线路引起的衰减的优点。这是由于从天线到低噪声放大器的传输线路由更少数量的有损耗部分形成，以及还由于避免将这些部分放在普通电路板上。损耗的降低意味着前级的噪声指数提高，在那种情况下，低噪声值能容许用于LNAs，进一步意味着节省放大器的成本。另外，本发明具有不需要用于匹配LNA的输入阻抗的分立线圈，以及匹配由此变得更精确的优点。此外，本发明具有简化前级的结构的优点，意味着节省生产成本。

附图说明

在下文中，将更详细地描述本发明。将参考附图，其中：

图1表示为接收机的天线端部分的通用结构的框图，

图2表示根据图1的放大器对的已知输入布置的例子，

图3表示根据图1的放大器对的已知输入布置的另一例子，

图4表示根据本发明的放大器对的输入布置的例子，

图5表示根据本发明的放大器对的输入布置的另一例子，

图6表示根据本发明的放大器对的输入布置的第三例子，

图7表示根据本发明的布置中的分配器的耦合损耗的例子，

图8表示在根据本发明的布置中的分配器的输出端口中的回程衰减(return attenuation)的例子，以及

图9表示与根据本发明的分配器结合的低通滤波器中的衰减的例子。

具体实施方式

已经结合现有技术的描述，解释了图1、2和3。

图4是根据本发明的放大器对的输入布置的例子。这实现与在前图的布置相同的功能，但具有不同结构。对应于图1的带通滤波器110的滤波器为谐振器型，其中，看出其输出谐振器RES的内部导体411。分配器130的输入导体431扩展到输出谐振器的空腔。空腔中的输入导体431的部分具有与输出谐振器的电磁耦合，通过该输出谐振器，将来自天线的信号的能量传送到分配器。可选地，输入导体能电流地(galvanically)直接耦合到内部导体411。分配器是Wilkinson型，以及除输入导体431外，在图4中看见在分配导体的末端间连接的第一分配导体432、第二分配导体433以及电阻器434。所述三个导体是相当硬的带状导体。它们形成联合件，固定并支撑在由此绝缘的器件的导电框架上。在图4中未示出该框架，仅示出了紧固件螺丝头。框架同时充当信号地GND。在该例子中，带状导体与地的距离是这样的以便由输入导体和地形成的输入线的阻抗为约50Ω，以及由分配导体和地形成的分配线路的阻抗为约71Ω，如从线路的末端“看出”。

根据本发明，信号的低通滤波在分配器中进行，以便其两条分配线同时也充当滤波器。以与在图3中所看出的低通滤波器320的导体区相同的方式并如上所述，构造分配导体的形状。因此，在第一分配导体432以及其横向放大，诸如放大422中，有相对窄的中央部分421，以便该导体与信号地线一起对应于由分立元件制成的LC电路。由第一和第二分配线形成的滤波器是相同的。

第一分配线继续充当移相器，其通过由在图4中看到的导体441和接地导体，或信号地或地形成的四分之一波长的长传输线实现。在此以及在权利要求书中，移相器的接地导体的对导体称为“上导体”，其中，限定词“上”绝不限制器件的位置。上导体441在包括串联的具有某一电感的导体L1和片状电容器C1的第一匹配电路450中终止。导体L1的末端延伸到器件的电路板401，电容器C1在电路板上。其通过短微带连接到第一LNA470的输入管脚。第二分配导体433在其末端，或在电阻器434端的末端上，连接到与第一匹配电路相同的第二匹配电路。第二匹配电路的电感导体L2的末端也延伸到电路板401，其串联电容器C2位于此处。第二匹配电路460在其末端通过短微带连接到第二LNA480的输入管脚。

移相器的上导体441、第一匹配电路的电感导体L1，以及第二匹配电路的电感导体L2在该例子中，为与分配器430的带状导体类似的相当硬、空气绝缘的带状导体。带状导体441和L1形成联合带。该带具有移相器适当终止的断续点，以及带状导体L1与地的关系与带状导体441的关系不同。尽管这些问题，但移相功能和匹配功能对于位置来说不是严格地分开，而是重叠。如能看到的，在匹配电路中不需要分立线圈，这意味着匹配精度的提高。这当然也适用于第二匹配电路460中。与图3的结构相比，另一显著优点在于低通滤波器和分配器的损耗实际上更小。这是由于导体的空气绝缘和滤波器与分配器结合。

图5表示根据本发明的放大器对的输入布置的另一例子。该图表示具有移除其盖的金属外壳HO。该外壳包含天线滤波器的带通部分510、分配器530和电路板501。形成带通滤波器510以便外壳HO的内部空间由导电分隔壁划分成谐振器空腔，在它们间，有耦合孔。每一谐振器空腔包括同轴型谐振器的内部导体，诸如输出谐振器的内部导体511。由分隔壁限定的两个空腔不充当谐振器，它们中的一个包含分配器530，以及另一个包含电路板501。分配器的空腔与输出谐振器相邻。分配器的输入导体531通过分隔壁中的孔延伸到输出谐振器，耦合元件512。在该例子中，耦合元件为与谐振器的内部导体并行的圆柱导体并电流地连接到谐振器的底部。耦合元件512具有与输出谐振器的电磁耦合，通过这种耦合，来自天线的信号的能量传送到分配器。分配器是Wilkinson型，以及除输入导体531，所看到的部分为第一分配导体532、第二分配导体533和连接在分配导体的末端间的电阻器534。这三个导体为带状导体，以及它们被支撑到限定空腔的底部，由此绝缘，与到图4的描述中所述的框架的图4中的分配器的相应导体类似。带状导体与充当信号地的外壳的距离在该情况下是这样的以便由分配导体和地形成的分配线的阻抗为由输入导体和地形成的输入线的阻抗的√2倍。

与在图4的例子中类似，进行信号的低通滤波，以便分配器的两个分配线同时充当滤波器。两个分配导体532、533连同信号地由此对应于由分立元件形成的低通LC电路。移相器的上导体541与图4中的导体441不同，为电路板501的表面上的微带。

为此，移相器在该例子中比在图4的例子中损耗更低。在电路板501上，还能看到第一和第二LNA、或LNA1和LNA2。

图6表示根据本发明的放大器对的输入布置的第三例子。该图表示具有移出其盖的金属外壳HO。外壳包含天线滤波器的带通部分610、属于分配器的带状导体，移相器和匹配电路，以及电路板601。天线滤波器的低通部分在图6中不可见。形成带通滤波器610以便由导电分隔壁将外壳HO的内部空间划分成谐振器空腔，在它们间，有耦合孔。每一谐振器空腔包括同轴型谐振器的内部导体，诸如输出谐振器的内部导体621。在由分隔壁限制的空腔中，两个不充当谐振器，它们中的一个包含分配器630和移相器640，以及另一个包含电路板601。分配器的空腔在输出谐振器旁。分配器的输入导体631通过空腔的分隔壁中的孔延伸到输出谐振器，其中的耦合元件622。耦合元件是与谐振器的内部导体并行的圆柱导体，电流连接到谐振器的底部，与图5中相同。用相同的方式，耦合元件622具有到输出谐振器的电磁耦合，通过该耦合，来自天线的信号的能量传送到分配器。除输入导体631外，能看出第一分配导体632、第二分配导体633和连接在分配导体的末端间的电阻器634为Wilkinson分配器。这三个导体是带状导体，以及它们支撑在限制所述空腔的底部上，由此绝缘，与图5的分配器中类似。因为由同轴谐振器制成低通滤波器，在该例子中，分配导体632和633仅起信号分配作用。然而，根据本发明，移相器的上导体641和第一匹配电路的电感部分L1集成到联合带状导体中。导体L1在其末端延伸到放大器LNA1和LNA2所处的所述电路板601。相应地，第二匹配电路的电感部分L2为带状导体，其从第二分配导体633的末端延伸到电路板601。

在图6的结构中，以与图4的结构相同的方式，消除电路板损耗。类似地，也消除匹配电路中分立线圈的需要，这意味着改进匹配精度。

图7表示在接收频带上，根据图4和5的分配器的耦合损耗L_co的例子。在此，耦合损耗是指超出由对分信号不可避免引起的3.03dB的衰减的衰减。曲线71表示在分配器的第一支路中的耦合损耗，持续到移相器中。这些损耗约为0.1dB。曲线72表示在分配器的第二支路中的耦合损耗。其中，损耗在0.02-0.07dB的范围中变化，由此远比第一分支小。

图8表示在接收频带上，在根据本发明的布置中，分配器的输出端口中的回程衰减L_ret的例子。其中，回程衰减描述从分配器向前看的匹配质量，回程衰减越高则越好。曲线81表示在分配器的第一支路的末端处的回程衰减。衰减在1.7-2.2GHz的范围中，从21.7改变到-23.2dB。曲线82表示在第二支路的末端的回程衰减。衰减从23改变成25dB，由此比第一分支的末端更好。从原型件获得结果，并且自然可以通过优化尺寸改进它们。

图9是与根据本发明的分配器组合的低通滤波器的传输系数S₂₁，即衰减的例子。低通滤波器的目的是衰减在带通滤波器的阻带衰减不足的这些高频处可能出现的频率分量。本例子的滤波器的截止频率为约7GHz。在频率8.9GHz，排列其值为约52dB的峰值衰减。从此向上，衰减减小，但仍然处于几乎30dB。在接收频带上，在该图中不可见，衰减非常接近于零。

上面已经描述了根据本发明的布置的例子。本发明不限于仅仅它们。例如，以如在图4和5中，与分配线联合类似的方式，低通滤波器也能与分配器的输入线联合。代替空气绝缘带状导体，分配器和移相器的导体也能是低损耗介电板的表面上的微带。低损耗材料比普通电路板材料更昂贵，但另一方面，所需电路板的尺寸相当小。能通过在由独立权利要求1设定的局限内，用许多方法应用本发明观点。

Claims

1.用于无线电接收机的前级中的低噪声放大器对(LNA1，LNA2)的输入布置电路，包括作为功能单元，属于第一放大器支路的移相器(140)，第一匹配电路(150)和第一LNA(170；470)、属于第二放大器支路的第二匹配电路(160)，第二LNA(180；480)和第二移相器、带通滤波器(110；510)、低通滤波器(120；620)、分配器(130；430；530；630)，其特征在于，在从天线到第一和第二LNA的前级的传输路径上，使属于第一和第二功能单元的至少一部分物理地联合成单一元件以便降低由所述传输路径引起的衰减，以及改进匹配。

2.如权利要求1所述的布置电路，其中，分配器(430；530)为Wilkinson型分配器，其具有输入线，该输入线包括输入导体和接地导体，或地，以及第一和第二分配线，每个分别包括分配导体和接地导体，其特征在于，第一功能单元是低通滤波器以及第二功能单元是分配器，在此情况下，分配器的每一分配线同时是低通滤波器。

3.如权利要求1所述的布置电路，其中，移相器是包括上导体和接地导体的传输线，以及通过电感元件实现第一匹配电路，其特征在于，第一功能单元是移相器，以及第二功能单元是第一匹配电路，在此情况下，上导体(441；641)和电感元件(L1)形成联合元件。

4.如权利要求2所述的布置电路，其中，移相器是包括上导体和接地导体的传输线，以及通过电感元件实现第一匹配电路，其特征在于，进一步，使属于第三和第四功能单元的一部分物理联合成单一元件，其中第三功能单元是移相器，以及第四功能单元是第一匹配电路，在此情况下，上导体和电感元件形成联合元件。

5.如权利要求2所述的布置电路，其特征在于，为形成所述低通滤波器，分配导体(432；433；532；533)包括从其输入延伸到输出的导体(421)，其实质特性是其电感，以及该导体的横向放大(422)，其实质特性是与地有关的它们的电容。

6.如权利要求2所述的布置电路，其特征在于，所述输入导体(431；531)以及分配导体(432，433；532，533)均是与信号地空气绝缘的导体带。

7.如权利要求3所述的布置电路，其特征在于，由上导体和电感元件形成的联合元件(441，L1；641，L1)是与信号地绝缘的导体带。

8.如权利要求2至4的任何一个所述的布置电路，其特征在于，所述导体的至少一些是与普通电路板材料相比相对低损耗介电板的表面上的微带。