CN107666293A - 一种介质集成悬置线wlan双通带低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种介质集成悬置线WLAN双通带低噪声放大器，包括低噪声放大器，低噪声放大器的分立器件构成，分立元件之间采用传输线结构进行连接，传输线结构包括介质层、分别设置在介质层两面的传输线和接地层，所述传输线包括依次连接的第一传输线和第二传输线，所述第一传输线的线宽为5.8mm至6.2mm，线长为4.2mm至4.5mm；所述第二传输线的线宽为0.8mm至1.0mm，线长为3.2mm至3.5mm。第一传输线构成低阻抗线，可等效为一端接地的电容结构；第二传输线构成高阻抗线，可等效为串联在电路中的电感结构；采用该传输线结构不仅可实现滤波作用，也可实现阻抗变换效果。
Description
技术领域
本发明涉及低噪声放大器领域，具体涉及一种介质集成悬置线WLAN双通带低噪声放大器。
背景技术
WLAN已成为当今移动通信设备的主流通信方式。传统的无线局域网WLAN广泛的采用基于IEEE802.11b/g标准的2.4GHz频段，带宽仅为83MHz。有限的带宽和速率己经不能满足如今的数据通信需求，所以国际电气和电子工程师协会IEEE推出了802.11a标准，将载波频率扩展到5GHz频段。为了降低成本，节省空间，减少电路的复杂性，迫切需要在一个设计平台中整合多个通信标准和通信频段。世界范围的系统运营商为了满足日益增加的用户数量，正在转向双频段设备。目前中国正在进行大规模的WLAN网络建设，同时产业界也积极推动5GHz频率开放，因此，WLAN双频段设备的市场潜力很大。
低噪声放大器是无线接收机的核心模块，主要功能是放大天线接收到的微弱信号，它一般应用于移动通信设备、无线基站的接收系统、雷达接收系统、卫星通信接收系统。现有的低噪声放大器要实现阻抗变换，需设置阻抗变换电路，其电路结构复杂。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种介质集成悬置线WLAN双通带低噪声放大器。
本发明通过下述技术方案实现：
一种介质集成悬置线WLAN双通带低噪声放大器，包括低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器的分立器件之间连接有传输线结构；所述传输线结构包括介质层、分别设置在介质层两面的传输线和接地层，所述传输线包括依次连接的第一传输线、第二传输线，所述第一传输线的线宽为5.8mm至6.2mm，5.8mm至6.2mm的线宽可保证第一传输线的特性阻抗在50欧姆左右，能够与负载阻抗实现匹配，线长为4.2mm至4.5mm；所述第二传输线的线宽为0.8mm至1.0mm，0.8mm至1.0mm的线宽可保证第二传输线的特性阻抗在140欧姆左右，能够与输出阻抗实现匹配，线长为3.2mm至3.5mm。两段传输线的线长所产生的分布参数效应可以消除输出阻抗的虚部，使得匹配网络的最终输出阻抗等于50欧姆。传输线置于介质层上方，介质层下方为接地层。第一传输线构成低阻抗线，与接地层一起可等效为一端接地的电容结构；第二传输线构成高阻抗线，可等效为串联在电路中的电感结构。第一传输线采用上述结构的传输线，不仅可实现滤波作用，也可实现阻抗变换效果。将上述传输线运用于低噪声放大器中，不仅可实现低噪声放大器的滤波作用，也实现了阻抗变换的功能，不需要额外设置阻抗变换电路，简化低噪声放大器的电路结构，所需元器件少，减小电路面积，有利于批量生产。本方案的低噪声放大器采用分立器件和上述传输线结构，两者相结合，可使低噪声放大器在不设置阻抗变换电路的情况也可实现阻抗变换，减少电路元器件，减小电路面积；在调试上使得调试方法也更加简单、容易，并利于产品的批量生产。
作为优选，所述低噪声放大器集成在介质集成悬置线平台上。现有的板级低噪声放大器采用微带线工艺。微带线较高的损耗会造成低噪声放大器噪声系数恶化，其基本噪声系数大于1.5dB；而且微带电路需要将其要机械加工的金属盒子对其进行封装。微带电路的封装往往有一定的精度要求，需要一些类似于定位孔、定位销、螺栓、螺母等附属机械部件来完成组装，因此需要额外的机械加工和装配工作，这大大提高了微带电路的生产成本。如中国第03139756.5号专利申请公开了一种使用ATF-34143场效应晶体管的低噪声放大器模块，其中包括输入匹配电路、源极反馈电路、ATF-34143场效应晶体管、输出匹配电路、电源电路和PCB板。由于采用微带线工艺，该电路需要额外的金属盒子进行封装，这极大提高了电路的生产成本，而且微带线较高的损耗使得2GHz时的噪声系数大于0.7dB。而本方案将低噪声放大器集成在介质集成悬置线平台上，不仅可使低噪声放大器噪声系数更小，在2.45GHz频段的噪声系数小于0.5dB，在5.15～5.35GHz频段的噪声系数小于0.8dB；且不需要额外的金属盒子进行封装，不需要类似于定位孔、定位销、螺栓、螺母等附属机械部件来完成组装，便于组装且生成成本更低。
进一步地，所述介质集成悬置线平台包括五层自上而下叠压的双面印制电路板，其中，第二层电路板和第四层电路板的中间成镂空结构，所述第三层电路板的上下金属层用于印刷低噪声放大器的传输线结构和分立器件。这种结构可以形成封闭空气腔，既可以防止电磁场向外辐射，减小辐射损耗；又使得大部分电磁场分布在空气腔内，减小介质损耗。所以该结构可以减小电路的辐射损耗和介质损耗。无源匹配网络的噪声系数在数值上等于其损耗，故可通过该结构减小低噪声放大器的噪声系数。此外，损耗的减小可以提高低噪声放大器的增益和效率。
进一步地，所述第三层电路板的采用印制板Roger5880，板厚为0.254mm，介电常数为2.2，印制板表面镀金。本方案选用损耗角正切仅为0.0009的Roger5880材料，可以减小电路的介质损耗。板厚0.254mm则是在保证基板强度的情况下取的最小值，可以最大程度减少介质中电磁场的分布，这既减小了介质损耗，又能保证电磁场在上下空气腔内对称分布，对称分布提高了电磁场的稳定性，进而增强了电路的抗干扰能力。印制板表面镀金提高了电路的过流能力，降低了传输线的导体损耗。如前所述，损耗的减小可以改善低噪声放大器的噪声系数和增益。
作为优选，所述低噪声放大器为共源共栅拓扑结构。
作为优选，所述低噪声放大器包括依次连接的输入匹配网络、放大电路、输出匹配网络。
进一步地，所述输入匹配网络包括LC并联谐振回路、连接在LC并联谐振回路输入端接地的第一电感、串联在LC并联谐振回路输出端与放大电路输入端之间的第一电容和第二电感、一端连接在第一电容和第二电感公共端且另一端连接在电源上的第三电感。
进一步地，所述输出匹配网络包括输出匹配网络包括连接在放大电路输出端上的第二电容、相串联且连接在第二电容输出端上的第三电容和第四电感，所述第四电感的非公共端接地。
作为优选，所述第一传输线的线宽为6.0mm，线长为4.3mm；所述第二传输线的线宽为0.9mm，线长为3.3mm。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明的传输线结构，第一传输线构成低阻抗线，可与接地层等效为一端接地的电容结构；第二传输线构成高阻抗线，可等效为串联在电路中的电感结构；采用该传输线结构不仅可实现滤波作用，也可实现阻抗变换效果。
2、本发明的低噪声放大器采用分立器件和传输线结构相结合，将滤波网络与阻抗变换电路融为一体，可使低噪声放大器在不额外设置阻抗变换电路的情况也可实现阻抗变换，减少电路元器件，减小电路面积；在调试上使得调试方法也更加简单、容易，并利于产品的批量生产。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为发明低噪声放大器的电路原理图。
图2为本传输线结构的结构示意图。
图3为图2的等效电路图。
图中的标号名称为：
1、介质层；2、接地层；31、第一传输线；32、第二传输线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种介质集成悬置线WLAN双通带低噪声放大器，包括低噪声放大器，低噪声放大器的分立器件构成，分立元件之间采用传输线结构进行连接，传输线结构包括介质层1、分别设置在介质层两面的传输线和接地层2，所述传输线包括依次连接的第一传输线31和第二传输线32，所述第一传输线的线宽为5.8mm至6.2mm，线长为4.2mm至4.5mm；所述第二传输线的线宽为0.8mm至1.0mm，线长为3.2mm至3.5mm。在这种传输线方案中，第一传输线的特性阻抗在48～52欧姆之间，第二传输线的特性阻抗在133～145欧姆之间，输出阻抗的虚部小于15欧姆。
优选的，所述第一传输线的线宽为6.0mm，线长为4.3mm；所述第二传输线的线宽为0.9mm，线长为3.3mm。此时，第一传输线的特性阻抗为50欧姆，第二传输线的特性阻抗为139欧姆，输出阻抗的虚部为8欧姆。
低噪声放大器的结构可采用现有的多种方式，也可采用下述电路结构实现。
低噪声放大器整体采用共源共栅拓扑结构，具体的包括依次连接的输入匹配网络、放大电路、输出匹配网络。
如图1所示，输入匹配网络包括LC并联谐振回路、连接在LC并联谐振回路输入端接地的第一电感L0、串联在LC并联谐振回路输出端与放大电路输入端之间的第一电容C2和第二电感Lg、一端连接在第一电容C2和第二电感Lg公共端且另一端连接在电源上的第三电感Lfeed。并联的电容C1、电感L1构成本方案的LC并联谐振回路。用于抑制3GHz到4.5GHz之间的杂散信号；第一电感L0、第三电感Lfeed为分流电感，用于过滤低频杂波；第二电感Lg通过谐振消除管子的寄生电容的影响，以保证良好的输入匹配。
输出匹配网络包括输出匹配网络包括连接在放大电路输出端上的第二电容C4、相串联且连接在第二电容C4输出端上的第三电容C5和第四电感L5，所述第四电感L5的非公共端接地。第一电容C2、第二电容C4均起隔直作用，第三电容C5和第四电感L5构成的串联谐振回路，该回路谐振于10GHz，用于滤除该频段附近的杂波，以提高电路高频稳定性。采用阶梯阻抗低通滤波器，既可以滤除高频杂波，也可以将较高的输出阻抗匹配到50欧姆，改善输出匹配，降低输出反射系数。将滤波网络整合到阻抗匹配网络中，进一步减小了电路面积。
如图1所示，放大电路包括场效应管M1、场效应管M2，电阻R1、电阻R2构成的偏置分压网络，使两个场效应管的Vgs均为-0.5V，Vds均为2V。除了让两个场效应管都偏置在正确的工作状态外，这两个电阻还可以提高电路的稳定性。由电容C3、电感L3构成的串联谐振网络，这个网络谐振于5.25GHz，可以提高高频段的增益，防止射频信号通过偏置网络泄露到地；电感Lp、电感L2，可以抑制高频噪声，提高高频增益平坦度；电感Ls通过谐振消除管子的寄生电容的影响，以保证良好的输入匹配。
在权衡考虑管子的噪声、增益、功耗、1dB增益压缩点、三阶互调截止点输出功率等各项指标的前提下，本实施例选用143封装的ATF35143场效应晶体管。在所述的放大管的工作频率范围450MHz-10GHz的情况下，放大管的三阶互调截止点输出功率(OIP3)可达21dBm。ATF35143具有更高的增益、更低的功耗和更小的噪声。
本方案采用LC谐振网络和传输线来实现两个频段的同时匹配，可以同时放大两个通带的信号。与开关型双通道低噪声放大器相比，本发明所述的双频带低噪声放大器不需要额外的偏置电源来控制射频开关进行频带选择，减少了电路功耗，延长了无线通信设备的电池寿命；本发明所述的双频带低噪声放大器可同时工作在两个频带上，这提高了电路的信号处理能力。
本方案采用的是分立器件加传输线的匹配方案，可以进一步减小电路面积。本发明所述的低噪声放大器件模块结构紧密，电路面积小，所需元器件少，节省生产成本，且可靠性高，在调试上使得调试方法也更加简单，容易，并利于产品的批量生产。
实施例2
在实施例2给出的任一结构的基础上，本实施例继续优化，即将低噪声放大器集成在介质集成悬置线平台上。
介质集成悬置线平台包括五层自上而下叠压的双面印制电路板，即包括M1至M10十层金属层，每层电路板的两面金属层之间填充中间介质，其中，第二层电路板和第四层电路板的中间成镂空结构，从而保证第三层电路板分别与第一层电路板和第五层电路板之间形成空气腔体结构；介质集成悬置线大部分电磁场分布在空气腔内，这极大地减小了电磁场的介质损耗。金属层M2和M9作为悬置线电路的信号地。电路通过金属化过孔接地。第三层电路板上、下表面金属层M5、M6用于印刷低噪声放大器的信号传输线和表贴SMT分立器件和晶体管。
第三层电路板的采用印制板Roger5880，板厚为0.254，介电常数为2.2，印制板表面镀金。
所述的低噪声放大器件模块装置采用介质集成悬置线工艺，通过减小无源匹配网络损耗的方式，成功地将2.4GHz～2.6GHz频段内噪声系数降低到0.5dB以下，将5.15GHz～5.35GHz频段内噪声系数减小到0.8dB以下。
采用本实施例的方案，规模化生产所能达到的技术指标为：在2.4GHz～2.6GHz频段内噪声系数小于0.5dB，在5.15GHz～5.35GHz频段内噪声系数小于0.8dB，增益大于18dB，输入、输出反射系数小于-15dB。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种介质集成悬置线WLAN双通带低噪声放大器，包括低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器的分立器件之间连接有传输线结构；所述传输线结构包括介质层、分别设置在介质层两面的传输线和接地层，所述传输线包括依次连接的第一传输线和第二传输线，所述第一传输线的线宽为5.8mm至6.2mm，线长为4.2mm至4.5mm；所述第二传输线的线宽为0.8mm至1.0mm，线长为3.2mm至3.5mm。
2.根据权利要求1所述的一种介质集成悬置线WLAN双通带低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器集成在介质集成悬置线平台上。
3.根据权利要求2所述的一种介质集成悬置线WLAN双通带低噪声放大器，其特征在于，所述介质集成悬置线平台包括五层自上而下叠压的双面印制电路板，其中，第二层电路板和第四层电路板的中间成镂空结构，所述第三层电路板的上下金属层用于印刷低噪声放大器的传输线结构和分立器件。
4.根据权利要求3所述的一种介质集成悬置线WLAN双通带低噪声放大器，其特征在于，所述第三层电路板的采用印制板Roger5880，板厚为0.254，介电常数为2.2，印制板表面镀金。
5.根据权利要求1所述的一种介质集成悬置线WLAN双通带低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器为共源共栅拓扑结构。
6.根据权利要求1所述的一种介质集成悬置线WLAN双通带低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器包括依次连接的输入匹配网络、放大电路、输出匹配网络。
7.根据权利要求6所述的一种介质集成悬置线WLAN双通带低噪声放大器，其特征在于，所述输入匹配网络包括LC并联谐振回路、连接在LC并联谐振回路输入端接地的第一电感、串联在LC并联谐振回路输出端与放大电路输入端之间的第一电容和第二电感、一端连接在第一电容和第二电感公共端且另一端连接在电源上的第三电感。
8.根据权利要求6所述的一种介质集成悬置线WLAN双通带低噪声放大器，其特征在于，所述输出匹配网络包括输出匹配网络包括连接在放大电路输出端上的第二电容、相串联且连接在第二电容输出端上的第三电容和第四电感，所述第四电感的非公共端接地。
9.根据权利要求1所述的一种介质集成悬置线WLAN双通带低噪声放大器，其特征在于，所述第一传输线的线宽为6.0mm，线长为4.3mm；所述第二传输线的线宽为0.9mm，线长为3.3mm。
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