CN104467691B - 一种低温宽频带低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温宽频带低噪声放大器，包括：用于降低场效应晶体管FET在宽频带内输入回波损耗和噪声的输入匹配电路、用于使低温宽频带低噪声放大器产生平坦高增益的级间匹配电路，以及用于降低FET在宽频带内输出回波损耗的输出匹配电路；其中，所述输入匹配电路、级间匹配电路与输出匹配电路依次串联。通过采用本发明公开的放大器，不仅可以保证在低温环境下稳定工作，而且在3.5—8GHZ的宽频带内，放大器能达到25dB的增益，同时增益平坦度小于2dB，并且保证放大器的噪声和回波损耗在宽频带内足够低。

Description

一种低温宽频带低噪声放大器
技术领域
本发明涉及微波放大器技术领域，尤其涉及一种低温宽频带低噪声放大器。
背景技术
微波放大器是现代射频、微波系统中非常重要的组成部分，而低噪声微波放大器属于接收设备前端的重要组成部分，它的噪声抑制能力对接收机的整体噪声起决定性的作用。
随着科技的发展，低噪声微波放大器也对更宽的频带和更大更平坦的增益提出了要求。特别在半导体量子点领域，尤其对于通过腔来测量量子点信号的实验中，要求系统电路人在极低温环境下工作，同时由于量子点的信号非常微弱，这时就要求放大器能尽可能的抑制噪声并提供足够大的增益来放大量子点信号；而且由于不同腔的谐振频率变化很大，就需要放大器有尽可能大的带宽。
目前的低噪声放大器由于功耗过大，不能在低温下工作，或者工作频带过窄，或者噪声抑制能力不能达到要求，或者增益不够等原因而不能用于量子点测量实验中。
发明内容
本发明的目的是提供一种低温宽频带低噪声放大器，能够在低温下宽频带内实现噪声抑制和信号放大。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种低温宽频带低噪声放大器，包括：
用于降低场效应晶体管FET在宽频带内输入回波损耗和噪声的输入匹配电路、用于使低温宽频带低噪声放大器产生平坦高增益的级间匹配电路，以及用于降低FET在宽频带内输出回波损耗的输出匹配电路；
其中，所述输入匹配电路、级间匹配电路与输出匹配电路依次串联。
进一步的，所述输入匹配电路包括：输入信号源、电阻R5、朗格耦合器lange1与8个微带线ML6-ML13；
其中，所述信号输入源、微带线ML6与朗格耦合器lange1的1端口依次串联，电阻R5、微带线ML7与朗格耦合器lange1的2端口依次串联，朗格耦合器lange2的3端口与微带线ML8串联，朗格耦合器lange2的4端口与微带线ML9串联，微带线ML8、ML10和ML11通过十字接口Cross1连接在一起，微带线ML9、ML12和ML13通过Cross2连接在一起。
进一步的，所述级间匹配电路包括：6个偏置电路T1-T6与6个微带线ML14-ML19；
其中，偏置电路T1、微带线ML14、偏置电路T3与偏置电路T5依次串联，偏置电路T2、微带线ML15、偏置电路T4与偏置电路T6依次串联，微带线ML14、ML16与偏置电路T3通过丁字接口Tee3连接在一起，微带线ML15、ML17与偏置电路T4通过Tee4连接在一起，微带线ML18、偏置电路T3与T5通过Tee5连接在一起，微带线ML19、偏置电路T4与T6通过Tee6连接在一起。
进一步的，所述偏置电路用于使晶体管工作在足够低的功耗区间上以便在低温下也能正常工作。
进一步的，所述偏置电路包括：4个电阻R1-R4、8个电容C1-C8、电感L1、负偏压电压源、正偏压电压源、5个微带线ML1-ML5，以及HJ-FET晶体管；
其中，所述负偏压电压源、电阻R1与R2依次串联，电容C1、微带线ML1与HJ-FET晶体管的G极依次串联；电阻R3的一端连接在电阻R1与R2之间，另一端与电容C1和微带线ML1之间的Tee1相连；HJ-FET晶体管D极、微带线ML2与电容C2依次串联，电阻R4、微带线ML3、电感L1依次串联，电感L1还与微带线ML2与电容C2之间的Tee2相连，电容C5、C6、C7、C8与正偏压电压源依次并联接地，电容C3与C4并联在电阻R4与微带线ML3之间，并接地；微带线ML4与ML5并联，其一端接地，另一端接HJ-FET的S极。
进一步的，所述输出匹配电路包括：信号输出端、电阻R6、朗格耦合器lange2、2个扇形微带线Stu1-Stu2，以及6个微带线ML20-ML25；
其中，所述扇形微带线Stu1、微带线ML20与ML22通过Cross3连接在一起，微带线ML22还与朗格耦合器lange2的1端口串联；扇形微带线Stu2、微带线ML21与ML23通过Cross3连接在一起，微带线ML23还与朗格耦合器lange2的2端口串联；朗格耦合器lange2的3端口、微带线ML24与电阻R6依次串联，朗格耦合器lange2的4端口、微带线ML25与信号输出端依次串联。
进一步的，信号输入源与信号输出端均采用SMA接头。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本方案包括输入匹配电路、级间匹配电路和输出匹配电路；其中，输入匹配电路采用朗格耦合器和微带电路匹配，能充分抑制噪声和减小回波损耗；级间匹配电路通过HJ-FET工作点的选择和级间微带线匹配，使得放大器在宽频带内大而平坦的增益，并且控制功耗，使其能在低温下工作；输出匹配电路采用朗格耦合器和微带电路匹配，能有效减小回波损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种低温宽频带低噪声放大器的电路示意图；
图2为本发明实施例提供的一种偏置电路的电路示意图；
图3为本发明实施例提供的放大器放大能力的实验测量图；
图4为本发明实施例提供的信号输入源回波损耗程度的实验测量图；
图5为本发明实施例提供的信号输出端回波损耗程度的实验测量图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例
图1为本发明实施例提供的一种低温宽频带低噪声放大器的电路示意图。如图1所示，该放大器主要包括：
用于降低场效应晶体管FET在宽频带内输入回波损耗和噪声的输入匹配电路、用于使低温宽频带低噪声放大器产生平坦高增益的级间匹配电路，以及用于降低FET在宽频带内输出回波损耗的输出匹配电路；
其中，所述输入匹配电路、级间匹配电路与输出匹配电路依次串联。
进一步的，所述输入匹配电路包括：输入信号源、电阻R5、朗格耦合器lange1与8个微带线ML6-ML13；
其中，所述信号输入源、微带线ML6与朗格耦合器lange1的1端口依次串联，电阻R5、微带线ML7与朗格耦合器lange1的2端口依次串联，朗格耦合器lange2的3端口与微带线ML8串联，朗格耦合器lange2的4端口与微带线ML9串联，微带线ML8、ML10和ML11通过Cross1(十字接口)连接在一起，微带线ML9、ML12和ML13通过Cross2连接在一起。
进一步的，所述级间匹配电路包括：6个偏置电路T1-T6与6个微带线ML14-ML19；
其中，偏置电路T1、微带线ML14、偏置电路T3与偏置电路T5依次串联，偏置电路T2、微带线ML15、偏置电路T4与偏置电路T6依次串联，微带线ML14、ML16与偏置电路T3通过Tee3(丁字接口)连接在一起，微带线ML15、ML17与偏置电路T4通过Tee4连接在一起，微带线ML18、偏置电路T3与T5通过Tee5连接在一起，微带线ML19、偏置电路T4与T6通过Tee6连接在一起。
进一步的，所述偏置电路用于使晶体管工作在足够低的功耗区间上以便在低温下也能正常工作。
进一步的，如图2所示，所述偏置电路主要包括：4个电阻R1-R4、8个电容C1-C8、电感L1、负偏压电压源、正偏压电压源、5个微带线ML1-ML5，以及异质节场效应晶体管(HJ-FET)；
其中，所述负偏压电压源、电阻R1与R2依次串联，电容C1、微带线ML1与HJ-FET晶体管的G极依次串联；电阻R3的一端连接在电阻R1与R2之间，另一端与电容C1和微带线ML1之间的Tee1相连；HJ-FET晶体管D极、微带线ML2与电容C2依次串联，电阻R4、微带线ML3、电感L1依次串联，电感L1还与微带线ML2与电容C2之间的Tee2相连，电容C5、C6、C7、C8与正偏压电压源依次并联接地，电容C3与C4并联在电阻R4与微带线ML3之间，并接地；微带线ML4与ML5并联，其一端接地，另一端接HJ-FET的S极。
进一步的，所述输出匹配电路包括：信号输出端、电阻R6、朗格耦合器lange2、2个扇形微带线Stu1-Stu2，以及6个微带线ML20-ML25；
其中，所述扇形微带线Stu1、微带线ML20与ML22通过Cross3连接在一起，微带线ML22还与朗格耦合器lange2的1端口串联；扇形微带线Stu2、微带线ML21与ML23通过Cross3连接在一起，微带线ML23还与朗格耦合器lange2的2端口串联；朗格耦合器lange2的3端口、微带线ML24与电阻R6依次串联，朗格耦合器lange2的4端口、微带线ML25与信号输出端依次串联。
本发明实施例提供的低温宽频带低噪声放大器中内部元器件的型号可根据实际情况来选择。示例性的，所述HJ-FET可以选用NE3503M04型号；电容元件和电感元件可以选用Murata公司0402标准封装对应参数的元件；电阻元件可以选用Yageo公司0402标准封装对应参数的金属膜电阻；HJ-FET、电容元件、电感元件和电阻元件可以采用SMT(表面组装技术)工艺焊接固定于介质板上，介质板板材选用RT6002型号，介质板尺寸为54.8*40.7mm；同时，所述信号输入源与信号输出端均采用SMA接头。
本实施实例提供的低温宽频带低噪声放大器设计工作区间可以为3.5—8GHZ，器件的S参数：S21的测量值见图3，S11的测量值见图4，S22的测量值见图5。其中S21代表放大器的放大能力，S11和S22分别代表放大器的信号输入源与信号输出端的回波损耗程度，S11和S22均稳定在-10dB以下，S21稳定在25dB以上，符合设计需求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种低温宽频带低噪声放大器，其特征在于，包括：
用于降低场效应晶体管FET在宽频带内输入回波损耗和噪声的输入匹配电路、用于使低温宽频带低噪声放大器产生平坦高增益的级间匹配电路，以及用于降低FET在宽频带内输出回波损耗的输出匹配电路；
其中，所述输入匹配电路、级间匹配电路与输出匹配电路依次串联；
所述输入匹配电路包括：输入信号源、电阻R5、朗格耦合器lange1与8个微带线ML6-ML13；所述信号输入源、微带线ML6与朗格耦合器lange1的1端口依次串联，电阻R5、微带线ML7与朗格耦合器lange1的2端口依次串联，朗格耦合器lange2的3端口与微带线ML8串联，朗格耦合器lange2的4端口与微带线ML9串联，微带线ML8、ML10和ML11通过十字接口Cross1连接在一起，微带线ML9、ML12和ML13通过Cross2连接在一起。
2.根据权利要求1所述的低温宽频带低噪声放大器，其特征在于，所述级间匹配电路包括：6个偏置电路T1-T6与6个微带线ML14-ML19；
其中，偏置电路T1、微带线ML14、偏置电路T3与偏置电路T5依次串联，偏置电路T2、微带线ML15、偏置电路T4与偏置电路T6依次串联，微带线ML14、ML16与偏置电路T3通过丁字接口Tee3连接在一起，微带线ML15、ML17与偏置电路T4通过Tee4连接在一起，微带线ML18、偏置电路T3与T5通过Tee5连接在一起，微带线ML19、偏置电路T4与T6通过Tee6连接在一起。
3.根据权利要求2所述的低温宽频带低噪声放大器，其特征在于，所述偏置电路用于使晶体管工作在足够低的功耗区间上以便在低温下也能正常工作。
4.根据权利要求2或3所述的低温宽频带低噪声放大器，其特征在于，所述偏置电路包括：4个电阻R1-R4、8个电容C1-C8、电感L1、负偏压电压源、正偏压电压源、5个微带线ML1-ML5，以及HJ-FET晶体管；
其中，所述负偏压电压源、电阻R1与R2依次串联，电容C1、微带线ML1与HJ-FET晶体管的G极依次串联；电阻R3的一端连接在电阻R1与R2之间，另一端与电容C1和微带线ML1之间的Tee1相连；HJ-FET晶体管D极、微带线ML2与电容C2依次串联，电阻R4、微带线ML3、电感L1依次串联，电感L1还与微带线ML2与电容C2之间的Tee2相连，电容C5、C6、C7、C8与正偏压电压源依次并联接地，电容C3与C4并联在电阻R4与微带线ML3之间，并接地；微带线ML4与ML5并联，其一端接地，另一端接HJ-FET的S极。
5.根据权利要求1所述的低温宽频带低噪声放大器，其特征在于，所述输出匹配电路包括：信号输出端、电阻R6、朗格耦合器lange2、2个扇形微带线Stu1-Stu2，以及6个微带线ML20-ML25；
其中，所述扇形微带线Stu1、微带线ML20与ML22通过Cross3连接在一起，微带线ML22还与朗格耦合器lange2的1端口串联；扇形微带线Stu2、微带线ML21与ML23通过Cross3连接在一起，微带线ML23还与朗格耦合器lange2的2端口串联；朗格耦合器lange2的3端口、微带线ML24与电阻R6依次串联，朗格耦合器lange2的4端口、微带线ML25与信号输出端依次串联。
6.根据权利要求1或5所述的低温宽频带低噪声放大器，其特征在于，信号输入源与信号输出端均采用SMA接头。
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