CN1075685C - 场效应晶体管放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一使用场效应晶体管作为放大器件的一场效应晶体管放大器，其包括一同轴介质谐振装置，该同轴介质谐振装置被接在放大器的输入端与放大器件的输入端之间，并具有λ/2电学长度及比从放大器的输入端到放大器件的输入端的输入端阻抗低的一特性阻抗。
Description
本发明涉及一种使用场效应晶体管(以下指FET)的放大器，而更具体地涉及一种FET放大器，其被作为卫星通讯或诸如此类的低噪声放大器使用，从而通过使用压缩电路来实现宽频带内的减噪。
在用于卫星通讯的低噪声放大器中，从卫星到达地面的无线电波由于在卫星与地面之间的无线电波传播路径内的衰减或受卫星本身的发射能力的限制而变得很弱。由于这个原因，放大器自身产生的噪声需要被减至最小。在目前的卫星通讯中，所使用的频带随着通讯业务量的增加而加宽，从而放大器也必须适应一个宽频带。因此，FET放大器必须具有一个能够同时满足这两个要求的电路结构。为满足这些要求，已通过改进FET放大器的输入端电路做了些研究。
通常，如图1所示，当一个无耗匹配电路M1与FET1的输入端相联时，FET1的噪声系数是由输入电路的源导纳(Ys=Gs+jBs)确定的，如下面公式所示：
F=F0+Rn/Gs(Gs-G0)2+(Bs-B0)2
F：由输入电路确定的噪声系数
F0：最佳的噪声系数
Rn：等效输入噪声电阻
G0：给出最佳噪声系数的电导
B0：给出最佳噪声系数的电纳
Gs：输入电路的电导(源电导)
Bs：输入电路的电纳(源电纳)
为了在此公式的基础上形成一个噪声最优FET放大器，最好使源导纳(Ys=Gs+jBs)与由FET限定的噪音最佳导纳(Y0=G0+jB0)相匹配。图1中的参考符号M2表示一个输出匹配电路。
在传统的FET放大器中，如图2所示，包含具有一个输入端21和变压器24到26的阻抗改进隔离器2的输出端23，一个等效端22，且终端电阻为50Ω的输出端23通过λ/4微带线路11和一个FET引线电感12与FET1的输入端相连，从而获得实现最优噪声的匹配。参考符号13表示一个输出匹配电路。然而，在此电路结构中，由隔离器输出部分的变压器26和λ/4微带线路11之间的匹配电路中产生的损耗降低了FET放大器的噪声系数。当实现噪声匹配时，此放大器的源阻抗在图3的史密斯图中表现为一个轨迹C。然而，为实现最优噪声的源阻抗通常用图3中的轨迹D表示。此两轨迹具有相反的频率方向因此其彼此相交。这不可避免地在带端造成噪声增加，从而无法获得宽频带噪声匹配。
为了解决噪声匹配后频率轨迹的交叉问题，日本未审查的专利公开号为No.63-62405的申请中公开了一种具有用于实现宽频带内降低噪声的电路结构的微波放大器。该微波放大器如图4A所示，在介质衬底的表面上设置一个FET1，该介质衬底的表面上形成有一个接地导线，且在FET1的输入部分IN和栅极之间设置一个输入匹配电路30。输入匹配电路30包含一个设置在输入部分的开路线31，微带线32和33用于将输入部分与FET的栅极相连，和设置在微带线上一点的短路线34。即使当电容器C被接入地与另一微带线35的末端之间而不是设置一个短路线34，如图4B所示，仍可获得一个短路端电路。
下面将描述现有技术中公开的放大器的输入阻抗轨迹的变化。用Гs＇表示从FET的栅极到输入匹配电路30的输入端的反射系数。而相应地用Г1、Г2、Г3来表示从输入匹配电路30的相应元件到输入端的反射系数。开路线31，微带线32和33以及短路线34的电学长度被最优化，从而使得反射系数Г1到Г3和Г5在图5的史密斯图上相应地沿着轨迹41到44的变化而变化。已沿着开路线31和微带线32中的轨迹变化的反射系数Г2沿着短路线34的轨迹43变为反射系数Г3。轨迹Г3通过沿着微带线32和33的相位旋转被转换为Гs(44)并重叠上FET的最优输入负载反射系数Гopt(45)。通常地，当频率变高时，微带线的相位旋转变得更大。由于这个原因当轨迹Г3到达轨迹Гs的位置时，轨迹的长度变小。然而，与图2中的结构相比，由于从Гopt(45)到Гs(44)的位移可被减小，从而图4A或4B中的结构可在宽频带实现噪声匹配。
在用于卫星通讯的低噪声放大器中，即使当包含放大器输入馈电部分和天线的装置结构中的输入阻抗条件变化时，为了向接收系统中提供该放大器而不降低该放大器的性能，通常接入隔离器以保证输入阻抗。当卫星通讯使用了如图4A或4B所示的电路时，在输入端连上一个50-Ω相匹配的三端子隔离器。因此，噪声系数通过隔离器的损耗而降低。
在图4A或4B中所示改进了的放大器中，可在某种程度上获得被展宽的以频率为单位的噪声系数，虽然该噪声系数作为绝对值仍然很弱。当在现有技术中加入一个50-Ω匹配的隔离器时，则噪声系数由于隔离器的损耗而降低。对于此种情况的原因如下。由于与输入宽频带匹配和微带线相联系的多个器件(开路线和短路线)形成于介质衬底之上，从而由于介入损耗的升高而引起噪声的降低。包括输入匹配电路的电路尺寸变大，从而妨碍了器件尺寸的减小。这是因为输入匹配电路是由作为参数分布电路的微带线组成并实现的。当频率变低时，电学长度变大，从而衬底上的电路尺寸也趋于变大。
本发明已考虑到上面的情况，且将提供一种场效应晶体管放大器作为本发明的目的，该场效应晶体管放大器实现了一种宽频带低噪声的放大器，其通过使用一种具有小巧无耗输入电路结构的FET来提高FET放大器的性能并也降低了器件的尺寸。
为了实现以上的目的，根据本发明的基本原则，提供一种场效应晶体管放大器，其包含一个接在放大器的输入端与FET的输入端之间的一个同轴介电谐振装置，该谐振装置具有λ/2的电学长度和比从放大器的输入端到FET的输入端的输入端阻抗低的特性阻抗。具有λ/2电学长度的同轴介质谐振装置包括一个TEM模介质谐振器，该TEM模介质谐振器包括一具有预先设定轴向长度的筒状物内的高介质，一个通过将介质的外表面用导电材料使其金属化而形成的外部导体，以及一个通过将介质的内壁用导电材料使其金属化而形成的一个内部导体。具有λ/2电学长度的同轴介质谐振器装置具有一个内部导体，该内部导体被露出的一端与放大器的输入端相连，同时将其露出的另一端与FET的输入端相连。
在本发明中，隔离器最好被设置于放大器的输入端，该隔离器由一个三端环形器组成，该环形器具有一个终极端。隔离器的中心导体的铁氧体端面与具有λ/2长度的同轴介质谐振器装置相连作为一个输出端。另外，放大装置的输入端最好连接一个输入端引线电感。
如上所述，当一个由低耗及小型同轴介质谐振装置组成的λ/2线路与FET的输入端相连时，此λ/2线路的特定阻抗被制成比从放大器的输入端到放大装置的输入端的阻抗要低，该λ/2线路产生串联谐振。输入端阻抗的高频阻抗沿着以导纳为单位的电容的方向延伸，而低频阻抗沿着以导纳为单位的介电常数的方向延伸。假设此延伸的阻抗轨迹被史密斯图中FET在介电常数方向上的FET输入端引线电感所旋转。即使在阻抗由FET输入端引线电感的转换中随频率变高由介电常数产生的旋转变大，由于λ/2线路的串联谐振阻抗在史密斯图上(阻抗图)最初具有一个轨迹，在该轨迹中高频阻抗向下边延伸，而低频阻抗向上边延伸。因此，实现了输入噪声匹配，从而最优噪声轨迹和频率方向不变，在阻抗通过FET引线电感的变换后，在保持轨迹的延伸形式的同时(高频阻抗和低频阻抗的相对位置关系)获得了轨迹的类似延伸形式。
下面将考虑输入部分的损耗。在隔离器的阻抗变换中的损耗可通过省略50-Ω匹配的输入隔离器输出部分来消除。输入匹配部分的损耗可通过形成一个λ/2线路来减低，该λ/2线路由一个小的和高一Q值同轴介质谐振装置组成。根据以上的结构，可形成一个无耗输入匹配电路。因此，可通过将输入电路的损耗减至最小来达到全带内的噪声降低，同时实现宽频带的噪声匹配。
在此发明中，与输入宽频带匹配相关的所需主要器件的数目被减少了，且主要器件(λ/2同轴介质谐振装置)被制成很小。此结构实现了装置的尺寸的降低而且也便于组装。其原因如下。当使用具有高Q值和高介电常数的材料生产同轴线路，该同轴线路是通过去除作为λ/2同轴传输线路的TEM模式同轴介质谐振装置两端的导体来形成的，从而可降低有效同轴长度和直径。
另外，根据本发明，可提高输入匹配电路的屏蔽特性。因此，可防止外部干扰波或反馈振荡的不利影响，且电路可被稳定地工作。这是因为作为一个输入匹配电路的λ/2线路由同轴介质衬底装置构成，传输线路中的导体被金属化的外表面屏蔽。
通过参考如下的详细描述，并结合附图将会对本发明的以上及其它的优点、特征及其它目的有更清楚的了解，其中结合本发明的原则的最佳实施例是通过解释实例的方式来阐述的
图1为现有技术结构的方框图；
图2示出另一现有技术的详细结构方框图；
图3为用于解释图2中所示现有技术工作的史密斯图；
图4A和4B分别示出现有技术的改进的输入匹配电路结构图及在其基础上的另一种变换形式的结构方框图；
图5为用于解释图4A或4B中的现有技术的工作的史密斯图；
图6示出本发明的实施例结构的方框图；
图7A到7C为分别示出本发明的λ/2线路的透视图和截面图；
图8为用于解释图6中实施例工作的史密斯图；
图9为用于解释图6中实施例λ/2线路的阻抗特性的轨迹变化的史密斯图；
图10为本发明另一个实施例的结构方框图及
图11为本发明与现有技术比较的效果图。
下面将参照相应的附图对本发明的最佳实施例进行描述。图6示出本发明的第一个实施例的结构方框图。参考图6，参考号数1表示作为放大装置的场效应晶体管。隔离器2和一个λ/2同轴线3与FET1的输入端相连，输出匹配电路4与FET1的输出端相连。隔离器2由公知的三端带状线环形器组成。参考号数2a表示一个由一带状线构成的输入端；2b为一虚设连接端，其与输入端2a具有相同的结构并与虚设端5相连；输出端2c通过铁氧体端面上的带状线直接与负载端相连。铁氧体6放置在隔离器2的中间并同时放入一个导体。
具有如上结构的隔离器的输出端2c被直接焊接到同轴介质谐振装置3的一端面上的中间导体上，该同轴介质谐振装置3具有λ/2的电学长度和比铁氧体端的输出阻抗(被作为一个输入端)低的特性阻抗。由此形成一个微波电路。在图7A和7B的透视图中和图7C的载面图中可以看出，具有λ/2电学长度的同轴介质谐振装置3通过如下所述制成。在具有预定轴向长度的平行六面体或圆柱体3a内制成具有高Q值和高介电常数的介质材料。其外表面用导电材料被金属化从而形成一个外部导体3b。在介质装置端面的中心部分形成一个轴向空腔，其内壁用导电材料进行金属化从而形成一个内部导体3c由此形成一个TEM模式介质谐振器。两端的导电表面被去除来形成开口端，从而形成一个同轴传输线路。FET引线电感7被焊接到λ/2同轴介质谐振器装置3的另一端面上的中心导体上并与FET1相连。
根据具有如上结构的FET放大器，提供给隔离器2的输入端2a的输入信号从输出端2c通过λ/2同轴介质谐振装置3和FET引线电感7被馈送到FET1。在FET1的输入端产生的反射波重新进入隔离器2并通过虚设连接端2b被虚设端5所消耗。被FET1放大了的信号通过输出匹配电路4输送给负载。通过调节λ/2同轴介质谐振装置3的特性阻抗值，FET1的输入电路可被调整到为获得最优噪声的源阻抗。λ/2同轴介质谐振装置3的特性阻抗值的变化范围被设定为比隔离器的铁氧体端2c的输出阻抗范围要窄。
下面将参照图8中的史密斯图对FET放大器的工作过程进行详细描述。参照图8，轨迹A代表隔离器2的输出端点A的阻抗，它是图6中所示的实施例在一宽频带内获得的。轨迹B代表λ/2同轴介质谐振装置3的输出端点B的阻抗。轨迹B是利用史密斯图中的代表λ/2同轴介质谐振装置3的特性阻抗的各相将轨迹A旋转λ/2(一个周期)而获得的。当轨迹返回到原始位置时，高频向较下边延伸，低频向较上边延伸，此与轨迹A不同。这与由λ/2同轴介质谐振装置3产生的串联谐振效果相同。
轨迹C代表FET1的输入端的点C的源阻抗。轨迹是通过FET引线电感7将轨迹B沿图中的介质方向旋转而获得的。在通过FET引线电感7的阻抗转换中，随频率变高，电感旋转随介电常数变大。然而，由于λ/2同轴介质谐振装置3的串联谐振作用，轨迹B已向高频及低频方向进行了充分的延伸，从而轨迹C的频率方向最终变得与最优噪声轨迹D的位置相同，虽然由于FET引线电感7产生的从轨迹B向轨迹C的延伸被降低，但仍可获得一个相似的轨迹延伸形式。
作为一个用于源阻抗轨迹C的调节装置，其是通过改变λ/2同轴介质谐振装置3的特性阻抗来实现的，例如，通过改变同轴装置的外径与内径的比率来实现。轨迹C如图9所示进行变化，通过使用此结果，轨迹可与最优噪声轨迹相匹配。在图9中，参考符号2代表λ/2线路的特性阻抗。
在此实施例的电路结构中，隔离器的在阻抗转换中的损耗通过省略50-Ω匹配输入隔离器输出部分来加以消除，输入匹配部分的损耗通过由小型及高Q值介质谐振装置组成的λ/2同轴线路而被降低。应用此结构，与现有技术相比，在将与输入宽频带匹配相关的必需的主要器件数目降至最少的同时，还可实现降低每一器件的损耗。因此，作为绝对值的噪声系数可被降至最小，从而实现了宽频带噪声匹配。
下面将参考图10对本发明的第二个实施例进行描述。参考图10，输入端与输入端负载相连，其已具有一个作为任意输入端阻抗的实际电阻成分(如50Ω)。参考号码1表示一个场效应晶体管(FET)；8为一个输入端；7为一个FET引线电感；3为一个用于介质谐振装置的λ/2同轴线路；4为一个输出匹配电路。输入端8被焊接到同轴介质谐振装置3的一端面上的中心导体上，该同轴介质谐振装置3具有λ/2的电学长度和比输入端阻抗低的特性阻抗。另外FET引线电感7被焊接到λ/2同轴介质谐振装置3的另一端的中心导体上，FET1与FET引线电感7相连。具有λ/2电学长度的同轴介质谐振装置3与第一个实施例中的相同。输入信号的流通与第一实施例中隔离器铁氧体端之后的相同。
第二实施例的输入端直接由诸如波导传感器等所组成。通过利用波导中的场强分布的差别，其根据作为波导输入端的50-Ω线路的接入位置而变化，可以实现为任意输入端阻抗的实际电阻值。
如上所述，在按照第一和第二实施例的放大器中，实现宽频带噪声匹配时输入电路损耗被减至最小。采用此结构，在整个频带中可降低作为绝对值的噪声。图11示出噪声与频率的特征关系图。曲线a代表本发明的特征；曲线b为图2中所示的现有技术的特征；曲线C为图4A或4B中所示的改进的现有技术的特征。在根据第一或第二个实施例的放大器中，与输入宽频带匹配相关的所需器件数目被减少了，从而λ/2同轴介质谐振装置被制成较小。因此，可以实现装置尺寸的降低，同时也便于装配。另外，输入匹配电路部分的屏蔽特性也提高了。由于防止了外面干扰波或反馈振荡的负面影响，从而电路可被稳定地工作。
Claims (1)
1．一种场效应晶体管放大器，包含：
(a)一个由三端引线环形器组成的隔离器，并在所述隔离器的中心
设置一铁氧体；
(b)一个由在所述隔离器一端的引线形成的输入端；
(c)一个虚设终端连接到在所述隔离器的其它端形成的虚设连接
端；
(d)一个场效应晶体管作为一放大器件；
(e)一个λ/2波长的同轴介质谐振装置，所述的谐振装置设置在所
述隔离器的中心导体的铁氧体的一端面与所述放大装置的输入
端中间，所述的谐振装置具有的特性阻抗小于从所述放大器的
所述输入端到放大装置的所述输入端的输入侧的阻抗，并具有
λ/2波长的介质长度，所述的谐振装置由高介质部件构成，该
部件具有一位于部件端面的中心部位，并形成具有一定长度的
柱面形状的长空间，将所述介质部件的外表面用导电材料金属
化形成一外导体，以及将所述介质部件的内表面用导电材料金
属化形成一内导体；
(f)一引线电感连接到所述放大装置的输入端，
其中，通过改变所述λ/2波长的同轴介质谐振装置的外径与内
径之比使所述放大器的阻抗与最佳噪声相匹配。
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