CN104883138A - 一种室温、极低温两用的宽频带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室温、极低温两用的宽频带低噪声放大器，包括：用于降低赝高电子迁移率晶体管PHEMT在一定工作频带内输入的反射损耗与噪声的输入匹配电路；用于给PHEMT提供所需偏置电压和电流并控制放大器整体功耗保持在最低门限水平、提升放大器稳定性，以及使放大器在一定工作频带内产生的增益高且平坦的级间匹配电路；以及用于降低PHEMT在一定工作频带内输出反射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。该放大器能在室温和极低温下稳定工作，在所设计的较宽的工作频带内实现信号放大并抑制噪声，并且在极低温下所产生的功耗较低，不会引起制冷系统温度升高。

Description

一种室温、极低温两用的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，尤其涉及一种室温、极低温两用的宽频带低噪声放大器。

背景技术

低噪声放大器是微波接收、测量系统前端的重要组成部分，其噪声大小对整个系统的总噪声起决定作用。然而随着无线通信、光纤通信、卫星通信、量子信息等各行业的迅猛发展，不仅要求其噪声低，更对其体积、功耗、带宽、工作环境等各方面都提出了更高的要求以满足不同行业的需求。

特别在半导体量子点领域中，对于反射式超导传输线谐振腔与量子点耦合的低温测量系统中，需要同时用到两个低噪声放大器，并分别要求它们能在4K极低温和室温下工作。由于量子点信号十分微弱，这就要求作为接收信号前端的放大器在抑制噪声的同时提供足够大的增益来放大量子点信号。而且不同腔的谐振频率变化较大，还需要放大器有较大的带宽。特别在极低温环境下，若功耗太大就会引起周围温度上升从而导致制冷系统不能正常工作。

而目前的低噪声放大器往往不能同时满足测量系统对功耗、带宽、增益、噪声和工作环境的要求，因此不适用于反射式超导传输线谐振腔与量子点耦合的低温测量系统中。

发明内容

本发明的目的是提供一种室温、极低温两用的宽频带低噪声放大器，其能在室温和极低温下稳定工作，在所设计的较宽的工作频带内实现信号放大并抑制噪声，并且在极低温下所产生的功耗较低，不会引起制冷系统温度升高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种室温、极低温两用的宽频带低噪声放大器，包括：

用于降低赝高电子迁移率晶体管PHEMT在一定工作频带内输入的反射损耗与噪声的输入匹配电路；用于给PHEMT提供所需偏置电压和电流并控制放大器整体功耗保持在最低门限水平、提升放大器稳定性，以及使放大器在一定工作频带内产生的增益高且平坦的级间匹配电路；以及用于降低PHEMT在一定工作频带内输出反射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：信号输入源、微带线ML5和ML6、开路微带线MLOC1以及短路微带线MLSC1；其中：

所述信号输入源、微带线ML5和ML6依次串联；微带线ML5和ML6、开路微带线MLOC1与短路微带线MLSC1通过十字接口Cross1连接在一起。

所述级间匹配电路包括：偏置电路T1-T3、电阻R6和R7、电感L1和L2、微带线ML7-ML10、开路微带线MLOC2和MLOC3、短路微带线MLSC2和MLSC3；其中：

所述偏置电路T1、微带线ML7、微带线ML8、偏置电路T2、微带线ML9、微带线ML10与偏置电路T3依次串联；所述偏置电路T1与微带线ML7通过丁字接口Tee5连接在一起，丁字接口Tee5剩余的一端依次连有电感L1与电阻R6；所述微带线ML7与微带线ML8通过十字接口Cross2连接在一起，十字接口Cross2剩余的两端分别连有开路微带线MLOC2与短路微带线MLSC2；所述偏置电路T2与微带线ML9通过丁字接口Tee6连接在一起，丁字接口Tee6剩余的一端依次连有电感L2与电阻R7；所述微带线ML9与微带线ML10通过十字接口Cross3连接在一起，十字接口Cross3剩余的两端分别连有开路微带线MLOC3与短路微带线MLSC3。

所述偏置电路包括：电阻R1-R5、电容C1-C5、直流偏置电压源、微带线ML1-ML4、扇形开路微带线MRS1和MRS2，以及PHEMT；其中：

所述直流偏置电压源与电阻R1相连，电阻R1通过Tee4与微带线ML4的一端相连，Tee4剩余的一端还连有扇形开路微带线MRS2；电容C4以及电容C5的一端并联在直流偏置电压源与电阻R1之间，电容C4以及电容C5的另一端均接地；电阻R2的一端连接在电阻R1与微带线ML4之间，其另一端与电阻R4的一端相连；电容C3与电阻R3的一端并联在电阻R2与电阻R4之间，电容C3与电阻R3的另一端均接地；电阻R4的另一端通过Tee3与微带线ML3的一端相连，Tee3剩余的一端还连有扇形开路微带线MRS1；微带线ML3的另一端还通过Tee1与电容C1以及PHEMT的G极相连，微带线ML1与ML2的一端并联后接PHEMT的S极，微带线ML1与ML2的另一端接地，PHEMT的D极与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端还通过Tee2与电容C2以及微带线ML4的另一端相连。

输出匹配电路包括：信号输出端、电阻R8和R9、电感L3；其中：

电感L3的一端与电阻R8相连，电阻R9的一端与信号输出端相连；电感L3与电阻R9的另一端通过丁字接口Tee7相连，丁字接口Tee7剩余的一端与级间匹配电路相连。

所述输入匹配电路中的信号输入源与输出匹配电路中的信号输出端均采用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，输入匹配电路采用不对称十字结型微带匹配电路，能充分抑制噪声并减小输入反射损耗；级间匹配电路使放大器具有更宽的工作频带，并使频带内的增益大而且平坦，级间匹配电路中的偏置电路为PHEMT提供合适的偏置电压和偏置电流并控制PHEMT的整体功耗在一个较低的水平以便适用于极低温下工作，同时还起到提升放大器稳定性和过滤电源杂波的作用；输出匹配电路采用集总元件匹配电路，能减少输出反射损耗。

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室温、极低温两用的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在室温下的放大能力的实验测量图；

图4为本发明实施例提供的放大器在4K极低温下的放大能力的实验测量图；

图5为本发明实施例提供的信号输入端和输出端反射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室温、极低温两用的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PHEMT(赝高电子迁移率晶体管)在一定工作频带内(例如，可以为较宽的工作频带)输入的反射损耗与噪声的输入匹配电路；用于给PHEMT提供所需偏置电压和电流并控制放大器整体功耗保持在最低门限水平以便适用于极低温下工作、提升放大器稳定性，以及使放大器在一定工作频带内(例如，可以为较宽的工作频带)产生的增益高(即，高于预设门限)且平坦的级间匹配电路；以及用于降低PHEMT在一定工作频带内输出反射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：信号输入源、微带线ML5和ML6、开路微带线MLOC1以及短路微带线MLSC1；其中：

所述信号输入源、微带线ML5和ML6依次串联；微带线ML5和ML6、开路微带线MLOC1与短路微带线MLSC1通过十字接口Cross1连接在一起。

进一步的，所述级间匹配电路包括：偏置电路T1-T3、电阻R6和R7、电感L1和L2、微带线ML7-ML10、开路微带线MLOC2和MLOC3、短路微带线MLSC2和MLSC3；其中：

所述偏置电路T1、微带线ML7、微带线ML8、偏置电路T2、微带线ML9、微带线ML10与偏置电路T3依次串联；所述偏置电路T1与微带线ML7通过丁字接口Tee5连接在一起，丁字接口Tee5剩余的一端依次连有电感L1与电阻R6；所述微带线ML7与微带线ML8通过十字接口Cross2连接在一起，十字接口Cross2剩余的两端分别连有开路微带线MLOC2与短路微带线MLSC2；所述偏置电路T2与微带线ML9通过丁字接口Tee6连接在一起，丁字接口Tee6剩余的一端依次连有电感L2与电阻R7；所述微带线ML9与微带线ML10通过十字接口Cross3连接在一起，十字接口Cross3剩余的两端分别连有开路微带线MLOC3与短路微带线MLSC3。

进一步的，如图2所示，为偏置电路的示意图，该偏置电路可以为PHEMT提供合适的偏置电压和偏置电流并控制PHEMT的整体功耗在一个较低的水平以便适用于极低温下工作，同时还起到提升放大器稳定性和过滤电源杂波的作用。其主要包括：电阻R1-R5、电容C1-C5、直流偏置电压源、微带线ML1-ML4、扇形开路微带线MRS1和MRS2，以及PHEMT；其中：

所述直流偏置电压源与电阻R1相连，电阻R1通过Tee4与微带线ML4的一端相连，Tee4剩余的一端还连有扇形开路微带线MRS2；电容C4以及电容C5的一端并联在直流偏置电压源与电阻R1之间，电容C4以及电容C5的另一端均接地；电阻R2的一端连接在电阻R1与微带线ML4之间，其另一端与电阻R4的一端相连；电容C3与电阻R3的一端并联在电阻R2与电阻R4之间，电容C3与电阻R3的另一端均接地；电阻R4的另一端通过Tee3与微带线ML3的一端相连，Tee3剩余的一端还连有扇形开路微带线MRS1；微带线ML3的另一端还通过Tee1与电容C1以及PHEMT的G极相连，微带线ML1与ML2的一端并联后接PHEMT的S极，微带线ML1与ML2的另一端接地，PHEMT的D极与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端还通过Tee2与电容C2以及微带线ML4的另一端相连。

进一步的，输出匹配电路包括：信号输出端、电阻R8和R9、电感L3；其中：

电感L3的一端与电阻R8相连，电阻R9的一端与信号输出端相连；电感L3与电阻R9的另一端通过丁字接口Tee7相连，丁字接口Tee7剩余的一端与级间匹配电路相连。

进一步的，所述输入匹配电路中的信号输入源与输出匹配电路中的信号输出端均采用SMA接头。

本发明实施例提供的室温、极低温两用的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PHEMT可以选用VMMK-1225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；PHEMT、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RT4003C型号；同时，所述信号输入源与信号输出端均采用SMA接头。

本发明实施例提供的低温宽频带低噪声放大器设计工作区间可以为5—6.5GHZ，器件的S参数如下：室温下S21的测量值见图3，4K极低温下S21的测量值见图4，S11和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反射损耗程度，S11和S22均稳定在-10dB以下，S21稳定在30dB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)

1.一种室温、极低温两用的宽频带低噪声放大器，其特征在于，包括：

用于降低赝高电子迁移率晶体管PHEMT在一定工作频带内输入的反射损耗与噪声的输入匹配电路；用于给PHEMT提供所需偏置电压和电流并控制放大器整体功耗保持在最低门限水平、提升放大器稳定性，以及使放大器在一定工作频带内产生的增益高且平坦的级间匹配电路；以及用于降低PHEMT在一定工作频带内输出反射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。

2.根据权利要求1所述的室温、极低温两用的宽频带低噪声放大器，其特征在于，所述输入匹配电路包括：信号输入源、微带线ML5和ML6、开路微带线MLOC1以及短路微带线MLSC1；其中：

所述信号输入源、微带线ML5和ML6依次串联；微带线ML5和ML6、开路微带线MLOC1与短路微带线MLSC1通过十字接口Cross1连接在一起。

3.根据权利要求1所述的室温、极低温两用的宽频带低噪声放大器，其特征在于，所述级间匹配电路包括：偏置电路T1-T3、电阻R6和R7、电感L1和L2、微带线ML7-ML10、开路微带线MLOC2和MLOC3、短路微带线MLSC2和MLSC3；其中：

所述偏置电路T1、微带线ML7、微带线ML8、偏置电路T2、微带线ML9、微带线ML10与偏置电路T3依次串联；所述偏置电路T1与微带线ML7通过丁字接口Tee5连接在一起，丁字接口Tee5剩余的一端依次连有电感L1与电阻R6；所述微带线ML7与微带线ML8通过十字接口Cross2连接在一起，十字接口Cross2剩余的两端分别连有开路微带线MLOC2与短路微带线MLSC2；所述偏置电路T2与微带线ML9通过丁字接口Tee6连接在一起，丁字接口Tee6剩余的一端依次连有电感L2与电阻R7；所述微带线ML9与微带线ML10通过十字接口Cross3连接在一起，十字接口Cross3剩余的两端分别连有开路微带线MLOC3与短路微带线MLSC3。

4.根据权利要求3所述的室温、极低温两用的宽频带低噪声放大器，其特征在于，所述偏置电路包括：电阻R1-R5、电容C1-C5、直流偏置电压源、微带线ML1-ML4、扇形开路微带线MRS1和MRS2，以及PHEMT；其中：

所述直流偏置电压源与电阻R1相连，电阻R1通过Tee4与微带线ML4的一端相连，Tee4剩余的一端还连有扇形开路微带线MRS2；电容C4以及电容C5的一端并联在直流偏置电压源与电阻R1之间，电容C4以及电容C5的另一端均接地；电阻R2的一端连接在电阻R1与微带线ML4之间，其另一端与电阻R4的一端相连；电容C3与电阻R3的一端并联在电阻R2与电阻R4之间，电容C3与电阻R3的另一端均接地；电阻R4的另一端通过Tee3与微带线ML3的一端相连，Tee3剩余的一端还连有扇形开路微带线MRS1；微带线ML3的另一端还通过Tee1与电容C1以及PHEMT的G极相连，微带线ML1与ML2的一端并联后接PHEMT的S极，微带线ML1与ML2的另一端接地，PHEMT的D极与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端还通过Tee2与电容C2以及微带线ML4的另一端相连。

5.根据权利要求1所述的室温、极低温两用的宽频带低噪声放大器，其特征在于，输出匹配电路包括：信号输出端、电阻R8和R9、电感L3；其中：

电感L3的一端与电阻R8相连，电阻R9的一端与信号输出端相连；电感L3与电阻R9的另一端通过丁字接口Tee7相连，丁字接口Tee7剩余的一端与级间匹配电路相连。

6.根据权利要求1-5任一项所述的室温、极低温两用的宽频带低噪声放大器，其特征在于，

所述输入匹配电路中的信号输入源与输出匹配电路中的信号输出端均采用SMA接头。