CN107493079A - Ku波段自偏置低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Ku波段自偏置低噪声放大器，包括基于同样的自偏置结构，并且依次相连的三级放大电路：第一级放大电路包括第一电容C1、第一微带线TL1、第一晶体管M1、第一级自偏置电路和第二微带线TL2；第二级放大电路包括第二电阻R2、第二晶体管M2、第四微带线TL4和第二级自偏置电路；第三级放大电路包括第四电阻R4、第三晶体管M3、第三级自偏置电路和第一电感L1。本发明提供了一种带有自偏置电路的低噪声放大器，不需要另外为电路设计偏置电路，一方面降低了设计复杂度，另一方面回避了偏置电路设计时带来的其他问题。本发明的电路结构简单，能够在实现宽频带的条件下，同时满足良好的噪声要求。
Description
技术领域
本发明属于信号收发技术领域，特别涉及一种Ku波段自偏置低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器广泛运用于接收机中，一般作为高频或中频前置放大器。在放大微弱信号的情况下，放大器自身的噪声可能对信号的干扰比较严重。所以希望放大器自身的噪声系数尽可能小，以减小这种干扰。基于GaAs工艺，采用的晶体管为赝配高电子迁移率晶体管(pHEMT)。与普通的高电子迁移率晶体管(HEMT)相比，pHEMT具有更好的频率特性，其温度稳定性也更加稳定，而且改善了器件的输出伏安特性，使得器件具有更大的输出电阻、更高的跨导、更大的电流处理能力以及更高的工作频率、更低的噪声等。采用这种晶体管做的低噪声放大器，具有良好的高频性能以及良好的低噪声性能，在高频放大场合运用较多，但是其工作时，一般需要负的电压偏置，这样即会增加系统复杂度，增加成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种带有自偏置电路的低噪声放大器，不需要另外为电路设计偏置电路，一方面降低了设计复杂度，另一方面回避了偏置电路设计时带来的其他问题的Ku波段自偏置低噪声放大器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：Ku波段自偏置低噪声放大器，包括基于同样的自偏置结构，并且依次相连的三级放大电路：
所述第一级放大电路包括第一电容C1、第一微带线TL1、第一晶体管M1、第一级自偏置电路和第二微带线TL2；电容C1的一端连接输入端口，电容C1的另一端分别与第一微带线TL1和第一晶体管M1的栅极相连；第一晶体管M1的源极通过第一级自偏置电路接地，第一晶体管M1的漏极通过第二微带线TL2连接到电源，第一晶体管M1的漏极还通过第一二级的匹配电路连接第二级放大电路；
第二级放大电路包括第二电阻R2、第二晶体管M2、第四微带线TL4和第二级自偏置电路；第二晶体管M2的栅极分别与第一二级匹配电路和第二电阻R2相连，第二晶体管M2的源极通过第二级自偏置电路接地，第二晶体管M2的漏极通过第四微带线TL4连接到电源，第二晶体管M2的漏极还通过第二三级匹配电路连接第三级放大电路；
第三级放大电路包括第四电阻R4、第三晶体管M3、第三级自偏置电路和第一电感L1；第三晶体管M3的栅极分别与第二三级匹配电路和第四电阻R4相连，第三晶体管M3的源极通过第三级自偏置电路接地，第三晶体管M3的漏极通过第一电感L1连接到电源，第三晶体管M3的漏极通过第六电容C6连接输出端。
进一步地，所述第一二级匹配电路由相连的第二电容C2和第三微带线TL3构成，第二电容C2的另一端与第一晶体管M1的漏极相连，第三微带线TL3的另一端与第二晶体管M2的栅极相连接。所述第二三级匹配电路由相连的第四电容C4和第五微带线TL5构成，第四电容C4的另一端与第二晶体管M2的漏极相连，第五微带线TL5的另一端连接第三晶体管M3的栅极。
进一步地，所述第一级自偏置电路由第一电阻R1和第三电容C3构成；第一电阻R1一端连接到第一晶体管M1的源极，另一端连接到地；第三电容C3并联在第一电阻R1的两端。第二级自偏置电路由第三电阻R3和第五电容C5构成；第三电阻R3一端连接到第二晶体管M2的源极，另一端连接到地；第五电容C5并联在第三电阻R3的两端。第三级自偏置电路由第五电阻R5和第七电容C7构成；第五电阻R5一端连接到第三晶体管M3的源极，另一端连接到地；第七电容C7并联在第五电阻R5的两端。
进一步地，所述第三晶体管M3的栅宽大于第一晶体管M1和第二晶体管M2。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种带有自偏置电路的低噪声放大器，不需要另外为电路设计偏置电路，一方面降低了设计复杂度，另一方面回避了偏置电路设计时带来的其他问题。本发明的低噪声放大器工作在Ku波段(12GHz到18GHz)，电路结构简单，能够在实现宽频带的条件下，获得较大的输出功率，同时满足良好的噪声要求，噪声系数(NF)小于1.5dB，输入输出驻波系数小于1.8，放大器增益27dB，带内波动小于1dB，输出P1dB压缩点大于14dBm。
附图说明
图1为本发明的Ku波段自偏置低噪声放大器电路图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，Ku波段自偏置低噪声放大器，包括基于同样的自偏置结构，并且依次相连的三级放大电路：
所述第一级放大电路包括第一电容C1、第一微带线TL1、第一晶体管M1、第一级自偏置电路和第二微带线TL2；电容C1的一端连接输入端口，电容C1的另一端分别与第一微带线TL1和第一晶体管M1的栅极相连；第一晶体管M1的源极通过第一级自偏置电路接地，第一晶体管M1的漏极通过第二微带线TL2连接到电源，第一晶体管M1的漏极还通过第一二级的匹配电路连接第二级放大电路；
第二级放大电路包括第二电阻R2、第二晶体管M2、第四微带线TL4和第二级自偏置电路；第二晶体管M2的栅极分别与第一二级匹配电路和第二电阻R2相连，第二晶体管M2的源极通过第二级自偏置电路接地，第二晶体管M2的漏极通过第四微带线TL4连接到电源，第二晶体管M2的漏极还通过第二三级匹配电路连接第三级放大电路；
第三级放大电路包括第四电阻R4、第三晶体管M3、第三级自偏置电路和第一电感L1；第三晶体管M3的栅极分别与第二三级匹配电路和第四电阻R4相连，第三晶体管M3的源极通过第三级自偏置电路接地，第三晶体管M3的漏极通过第一电感L1连接到电源，第三晶体管M3的漏极通过第六电容C6连接输出端。
进一步地，所述第一二级匹配电路由相连的第二电容C2和第三微带线TL3构成，第二电容C2的另一端与第一晶体管M1的漏极相连，第三微带线TL3的另一端与第二晶体管M2的栅极相连接。所述第二三级匹配电路由相连的第四电容C4和第五微带线TL5构成，第四电容C4的另一端与第二晶体管M2的漏极相连，第五微带线TL5的另一端连接第三晶体管M3的栅极。
进一步地，所述第一级自偏置电路由第一电阻R1和第三电容C3构成；第一电阻R1一端连接到第一晶体管M1的源极，另一端连接到地；第三电容C3并联在第一电阻R1的两端。第二级自偏置电路由第三电阻R3和第五电容C5构成；第三电阻R3一端连接到第二晶体管M2的源极，另一端连接到地；第五电容C5并联在第三电阻R3的两端。第三级自偏置电路由第五电阻R5和第七电容C7构成；第五电阻R5一端连接到第三晶体管M3的源极，另一端连接到地；第七电容C7并联在第五电阻R5的两端。
进一步地，所述第三晶体管M3的栅宽大于第一晶体管M1和第二晶体管M2。
本发明的Ku波段自偏置低噪声放大器的工作原理为：
第一电容C1作为输入电容，目的是隔绝直流电压，防止输入信号中的直流分量对对第一级偏置造成影响。在微波与射频电路系统中，一般的特征阻抗为50欧姆，低噪声放大器实际应用时，前端电路的源阻抗一般也为50欧姆。为了保证输入信号能量最大的传递到低噪声放大器，低噪声放大器的输入阻抗需要匹配到50欧姆。
第一微带线TL1作为第一级输入的匹配电路，将电路的输入阻抗匹配到50欧姆。同时第一晶体管M1的栅极通过第一微带线TL1直流接地，则栅极的静态工作电压为0V，建立了栅极的静态工作点。第一晶体管M1的漏极通过第二微带线TL2连接到电源，第二微带线TL2同时参与到第一级的输出匹配中。
第一级放大电路作为放大器的输入级，需要尽量同时保证增益和噪声系数。一个级联系统的噪声系数计算公式为：F为系统噪声系数，F1为第一级噪声系数，F2为第二级噪声系数…，G1为第一级增益，G2为第二级增益…。由此公式可知，一个系统的第一级的噪声系数至关重要，直接影响整个系统噪声系数；同时前级增益越大，后面级的噪声系数影响就越小。所以，设计时第一级尽量匹配到最佳噪声源阻抗，同时兼顾反射系数匹配，保证足够的增益。对于一个给定的晶体管，其一般具有一个最佳噪声源阻抗，当实际源阻抗的值与最佳噪声源阻抗相等时，将会得到最小的噪声系数。
第二级放大电路主要提供增益，同时兼顾噪声系数。第二级同时也需要调节整个放大器的增益平坦度。在整个Ku频段(12GHz～18GHz)内，根据晶体管的自身特性，其增益将会随频率升高而降低，所以需要调节第二级放大电路的输入输出匹配情况，抵消晶体管自身特性带来的不利影响。
第三级放大电路主要提供功率输出。在设计第三晶体管M3尺寸时，应使第三晶体管栅宽比第一二级晶体管M1、M2栅宽宽，以提高功率输出能力。通过负载牵引技术，得到晶体管最大输出功率时的负载阻抗。然后将第三级的输出阻抗通过匹配元件L1、C6匹配到该负载阻抗的共轭值。此时放大器能得到最大的功率输出。
第一级自偏置电路由R1，C3构成。R1一端连接到第一晶体管M1的源极，一端连接到地，C3并联在R1的两端。上电时第一晶体管M1的源极到漏极会有源漏电流。源漏电流流经电阻R1时，会在第一电阻R1两端产生一个正的电压降V1，所以第一晶体管M1源极电压大于0V。因为栅极通过TL1接地，电压为0V，所以晶体管栅源电压为负电压-V1。所以第一晶体管M1工作偏压为-V1状态。可以满足正常工作条件。第三电容C3并联在电第一阻R1两端，第三电容C3的电容值较大，根据电容阻抗公式，当频率很高，电容值很大时，阻抗很小。对于射频信号，有效的降低了第一晶体管M1源极到地的阻抗，提供了射频通路。可以提高放大电路增益。
第二级自偏置电路和第三级自偏置电路原理同第一级自偏置电路。
此低噪声放大器工作在Ku波段(12GHz到18GHz)，在实现宽频带的条件下，同时满足良好的噪声要求，噪声系数(NF)小于1.5dB，输入输出驻波系数小于1.8，放大器增益27dB，带内波动小于1dB，输出P1dB压缩点大于14dBm。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.Ku波段自偏置低噪声放大器，其特征在于，包括基于同样的自偏置结构，并且依次相连的三级放大电路：
所述第一级放大电路包括第一电容C1、第一微带线TL1、第一晶体管M1、第一级自偏置电路和第二微带线TL2；电容C1的一端连接输入端口，电容C1的另一端分别与第一微带线TL1和第一晶体管M1的栅极相连；第一晶体管M1的源极通过第一级自偏置电路接地，第一晶体管M1的漏极通过第二微带线TL2连接到电源，第一晶体管M1的漏极还通过第一二级的匹配电路连接第二级放大电路；
第二级放大电路包括第二电阻R2、第二晶体管M2、第四微带线TL4和第二级自偏置电路；第二晶体管M2的栅极分别与第一二级匹配电路和第二电阻R2相连，第二晶体管M2的源极通过第二级自偏置电路接地，第二晶体管M2的漏极通过第四微带线TL4连接到电源，第二晶体管M2的漏极还通过第二三级匹配电路连接第三级放大电路；
第三级放大电路包括第四电阻R4、第三晶体管M3、第三级自偏置电路和第一电感L1；第三晶体管M3的栅极分别与第二三级匹配电路和第四电阻R4相连，第三晶体管M3的源极通过第三级自偏置电路接地，第三晶体管M3的漏极通过第一电感L1连接到电源，第三晶体管M3的漏极通过第六电容C6连接输出端。
2.根据权利要求1所述的Ku波段自偏置低噪声放大器，其特征在于，所述第一二级匹配电路由相连的第二电容C2和第三微带线TL3构成，第二电容C2的另一端与第一晶体管M1的漏极相连，第三微带线TL3的另一端与第二晶体管M2的栅极相连接。
3.根据权利要求1所述的Ku波段自偏置低噪声放大器，其特征在于，所述第二三级匹配电路由相连的第四电容C4和第五微带线TL5构成，第四电容C4的另一端与第二晶体管M2的漏极相连，第五微带线TL5的另一端连接第三晶体管M3的栅极。
4.根据权利要求1所述的Ku波段自偏置低噪声放大器，其特征在于，所述第一级自偏置电路由第一电阻R1和第三电容C3构成；第一电阻R1一端连接到第一晶体管M1的源极，另一端连接到地；第三电容C3并联在第一电阻R1的两端。
5.根据权利要求1所述的Ku波段自偏置低噪声放大器，其特征在于，所述第二级自偏置电路由第三电阻R3和第五电容C5构成；第三电阻R3一端连接到第二晶体管M2的源极，另一端连接到地；第五电容C5并联在第三电阻R3的两端。
6.根据权利要求1所述的Ku波段自偏置低噪声放大器，其特征在于，所述第三级自偏置电路由第五电阻R5和第七电容C7构成；第五电阻R5一端连接到第三晶体管M3的源极，另一端连接到地；第七电容C7并联在第五电阻R5的两端。
7.根据权利要求1所述的Ku波段自偏置低噪声放大器，其特征在于，所述第三晶体管M3的栅宽大于第一晶体管M1和第二晶体管M2。
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