CN108322191A - 一种多频段低噪声放大器及放大方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多频段低噪声放大器，所述放大器包括：N个输入电路，N为大于等于2的自然数、N个共源晶体管、N路开关、共栅晶体管和输出电路，其中：所述N个输入电路，用于接收N个不同频段信号；每一所述共源晶体管，用于对接收的一个频段信号进行第一级放大，得到第一级放大信号，然后将所述第一级放大信号传输到所述N路开关；所述N路开关，用于从N个频段信号的通路中选择一个频段信号的通路，通过选择的通路将对应的第一级放大信号传输到所述共栅晶体管；所述共栅晶体管，用于隔离所述输出电路对所述N个输入电路的影响，并将所述第一级放大信号传输到所述输出电路；本发明同时还公开了一种多频段低噪声的放大方法。

Description

一种多频段低噪声放大器及放大方法
技术领域
本发明涉及无线通信系统技术的集成电路设计领域，尤其涉及一种多频段低噪声放大器及放大方法。
背景技术
随着社会经济的发展，市场上对于能够兼容不同协议标准的多频带接收终端的需求也越来越大。对于多频接收机，多频带低噪声放大器的设计至关重要。对于一般的射频低噪声放大器来说，根据不同的通信协议的频率、带宽等要求，会采用不同的电路结构，以得到最低的噪声以及最佳的性能。然而对于多频带低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)来说，需要兼顾不同频带的增益与噪声，并考虑功率以及芯片面积的制约，这无疑增大了多频带低噪声放大器的设计难度。
对于多频带低噪声放大器的实现，目前主要有两种方案：一种是独立通路型多频带低噪声放大器，另一种是共用通路型多频带低噪声放大器。独立通路型多频带低噪声放大器是不同频带的工作信号通过多个独立偏置的低噪声放大器进行放大，可通过直接并行技术与开关切换技术实现；共用通路型多频带低噪声放大器是不同工作频带信号共用同一个偏置的低噪声放大器进行放大，可通过宽带匹配技术与多频匹配技术实现。
独立通路型多频带低噪声放大器利用多个独立的信号通路对不同频段信号实现放大，设计简单，在不同的频段内都能得到比较好的噪声和增益性能，且适用于不同频带之间的宽间隔要求，或是工作频带宽的场合。但无论是多通路的直接并行还是利用开关进行切换，都会占用大量的电路面积，且电路利用率低，成本高，功耗高。
共用通路型多频带低噪声放大器是不同频率的信号共用同一条通路，与独立通路结构相比大大降低了电路面积，提高了电路利用率，且降低了功耗。但实际上，无论是采用宽带匹配还是谐振匹配网络、可调谐电容等实现的多频匹配，都必须要面对各个工作频段下阻抗匹配和噪声、增益的折衷。
宽带低噪声放大器通过设计频带覆盖所有工作频率的阻抗匹配网络，令放大器实现宽频带下的阻抗匹配，但是，宽频带的阻抗匹配一般不容易实现。目前，很多类似的低噪声放大器采用反馈、共栅等结构，虽然得到了宽的输入阻抗匹配，但其噪声性能不甚理想。行波式放大器虽然能够在很宽的频带得到不错的增益和噪声，但要牺牲面积和功耗，难以适应如今对通信系统小型化、低功耗的要求。而且，宽带低噪声放大器有一个明显的问题是，会对带外的干扰信号进行放大，造成增益压缩甚至是信号阻塞，为后级的其他电路设计带来更高的线性度要求和设计难度。
为了克服宽带放大器对带外信号放大带来的干扰问题，不少学者在匹配网络中引入谐振网络或者是可调谐元件，实现多频段的分别匹配。采用谐振匹配网络，通常需要引入一个或多个LC(电感与电容)谐振网络，令电路在谐振的频率点上实现匹配，但实际上，谐振网络的引入容易令放大器在谐振频率点上出现增益尖峰，谐振点范围内增益曲线陡峭，难以在较宽频带上得到良好的增益平坦度。引入可调谐元件，利用金属氧化物半导体场效应晶体(Metal Oxide Semiconductor，MOS)管的栅电容特性，或者是MOS管的开关特性，实现匹配网络的可调谐，可以使放大器分别在需要的工作频段上实现放大。但通常来说，在输入匹配中引入MOS开关，导通时的导通电阻会对电路的噪声性能带来较大恶化。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例为解决现有技术中存在的至少一个问题而提供一种多频段低噪声放大器及放大方法，能够实现在多频带、宽频段低噪声放大的同时，对放大器的噪声、增益、系统功耗进行优化。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供一种多频段低噪声放大器，所述放大器包括N个输入电路，N为大于等于2的自然数、第一级放大电路和输出电路，其中：
所述N个输入电路，用于接收N个不同频段信号；
所述第一级放大电路，包括N个共源晶体管、N路开关、共栅晶体管，其中：
每一所述共源晶体管，用于对接收的一个频段信号进行第一级放大，得到第一级放大信号，然后将所述第一级放大信号传输到所述N路开关；
所述N路开关，用于从N个频段信号的通路中选择一个频段信号的通路，通过选择的通路将对应的第一级放大信号传输到所述共栅晶体管；
所述共栅晶体管，用于隔离所述输出电路对所述N个输入电路的影响，并将所述第一级放大信号传输到所述输出电路；
所述输出电路，用于输出所述第一级放大信号。
第二方面，本发明实施例提供一种多频段低噪声的放大方法，所述方法包括：
放大器的N路开关从所述放大器的N个输入电路、N个共源晶体管、N路开关之间的N个频段信号的通路中选择一个频段信号的通路；
选择后的输入电路接收来自天线或滤波器的频段信号；
选择后的共源晶体管对接收的频段信号进行第一级放大，得到第一级放大信号，然后将所述第一级放大信号传输到选择的对应开关；
所述对应开关将所述第一级放大信号传输到所述放大器的共栅晶体管；
所述共栅晶体管隔离放大器的输出电路对所述输入电路的影响，并将所述第一级放大信号传输到所述放大器的输出电路；
所述输出电路输出所述第一级放大信号。
本发明实施例提供的一种多频段低噪声的放大方法及放大器，所述放大器包括：N个输入电路，N为大于等于2的自然数、第一级放大电路和输出电路，其中：所述N个输入电路，用于接收N个不同频段信号；所述第一级放大电路，包括N个共源晶体管、N路开关、共栅晶体管，其中：每一所述共源晶体管，用于对接收的一个频段信号进行第一级放大，得到第一级放大信号，然后将所述第一级放大信号传输到所述N路开关；所述N路开关，用于从N个频段信号的通路中选择一个频段信号的通路，通过选择的通路将对应的第一级放大信号传输到所述共栅晶体管；所述共栅晶体管，用于隔离所述输出电路对所述输入电路的影响，并将所述第一级放大信号传输到所述输出电路；所述输出电路，用于输出所述第一级放大信号，如此，能够实现在多频带、宽频段低噪声放大的同时，对放大器的噪声、增益、系统功耗进行优化。
附图说明
图1为多频带的直接并行技术实现原理图；
图2为多频带的开关切换技术实现原理图；
图3为多频带的宽带匹配放大技术实现原理图；
图4为多频带的多频匹配放大技术实现原理图；
图5A为本发明实施例多频段低噪声放大器的组成结构示意图一；
图5B为本发明实施例多频段低噪声放大器的组成结构示意图二；
图6A为本发明实施例多频段低噪声放大器的组成结构示意图三；
图6B为本发明实施例多频段低噪声放大器的组成结构示意图四；
图7为本发明实施例多频段低噪声放大器的电路拓扑图；
图8为本发明实施例多频段低噪声的放大方法的实现流程示意图一；
图9为本发明实施例多频段低噪声的放大方法的实现流程示意图二。
具体实施方式
一般地，对于射频低噪声放大器来说，根据不同的通信协议的频率、带宽等要求，可以采用不同的电路结构，以得到最低的噪声以及最佳的性能。对于多频带LNA来说，需要兼顾不同频带的增益与噪声，并考虑功率以及芯片面积的制约。
多频带LNA的实现，目前可以分为两种方案，第一种方案是独立通路型结构，第二种方案是共用通路型结构。在第一种方案中，令不同频带的工作信号通过多个独立偏置的低噪声放大器进行放大；例如，在实现的过程中，可以多个独立低噪声放大器直接并联；或者，为了降低功耗，也会有采用多个开关与不同放大通路串联，从而控制不同通路的通断实现不同频段的切换。在第二种方案中，另一种是共用通路型结构，令不同频率的信号共用同一条通路；例如，在实现过程中，可以通过在输入、输出端采用宽带匹配网络直接覆盖不同的工作频带；或者，在多频匹配网络中加入LC谐振元件、可调谐电容、微带线、变压器等实现不同工作频率下的分别匹配。
在第一种方案中，多个独立低噪声放大器直接并联可以参见图1，图1中包括三个并联的放大器11、12、13，三个并联放大器分别接收不同频段信号，放大器11对应的工作频率是W1，放大器12对应的工作频率是W2，放大器13对应的工作频率是W3，三个放大器并联后，输出放大器增益随频率变化曲线14。
其中，多个开关与不同放大通路串联可以参见图2，图2中包括三个串联的放大器21、22、23，三个串联放大器分别由开关24、25、26控制并接收不同频段信号，放大器21对应的工作频率是W1，放大器22对应的工作频率是W2，放大器23对应的工作频率是W3，三个放大器串联后，输出放大器增益随频率变化曲线27。
在第二种方案中，采用宽带匹配网络直接覆盖不同的工作频带可以参见图3，图3中包括放大器31、输入端32和输出端33，所述输入端32和输出端33采用宽带匹配网络直接覆盖不同的工作频带，输入端32接收不同频段信号，放大器31将接收的不同频段信号进行放大后由输出端33输出，输出放大器增益随频率变化曲线34。
其中，在多频匹配网络中实现不同工作频率下的分别匹配可以参见图4，放大器41接收不同频段信号，在放大器41相关的多频匹配网络中加入LC谐振元件、可调谐电容、微带线、变压器等实现不同工作频率下的分别匹配，然后将放大信号进行输出，输出放大器增益随频率变化曲线42或输出放大器增益随频率变化曲线43。
下面将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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例采用多输入单输出的系统结构，根据不同工作频段，分别设计对应频段放大的多个共源级晶体管和输入匹配网络，与对应频段的输入端连接。不同于目前已有的多频低噪声放大器实现方式，本发明实施例在共源晶体管漏极级联单刀多掷开关，开关的输出端级联一个共栅晶体管，用于抑制密勒电容的影响，实现放大器的输入与后级放大结构及输出匹配网络之间的隔离，增大放大器的反向隔离度。级联在多个共源晶体管与共栅晶体管之间的开关主要有三个目的：
第一，实现不同工作模式下，不同频带通路的重构，令处于工作频段的有用信号经过开关，近乎无损耗地传输到共栅晶体管源端，继而经后级的放大、匹配等结构通过输出端输出到负载；
第二，将不处于工作频段的信号进行隔离，令多频低噪声放大器的各个通路间的信号不会相互干扰，同时隔离非工作频段模块带来的噪声，降低对噪声性能的影响，令多频放大器在某一工作模式下的带内性能与可以与对应频带的单频放大器性能相媲美；
第三，该开关还起到偏置控制的作用，将处于非工作频段下的共源管直流通路切断，以及降低非工作频段放大模块的额外功耗的作用。
下面对本发明实施例提供的多频段低噪声放大器及放大方法进行详细的说明。
本实施例提供一种多频段低噪声放大器，该放大器包括N个输入电路、第一级放大电路和输出电路，其中，上述N个输入电路可以为2个输入电路、3个输入电路、4个输入电路等，N只要为大于等于2的自然数即可，本发明实施例并不做具体地限定，其中：
所述N个输入电路，用于接收N个不同频段信号；
所述第一级放大电路，包括N个共源晶体管、单刀双掷开关、共栅晶体管；
每一所述共源晶体管，用于对接收的一个频段信号进行第一级放大，得到第一级放大信号，然后将所述第一级放大信号传输到所述单刀双掷开关；
所述单刀双掷开关，用于从N个频段信号的通路中选择一个频段信号的通路，通过选择的通路将对应的第一级放大信号传输到所述共栅晶体管；
所述共栅晶体管，用于隔离所述输出电路对所述N个输入电路的影响，并将所述第一级放大信号传输到所述输出电路；
所述输出电路，用于输出所述第一级放大信号。
本发明实施例中，通过N个输入电路接收N个不同频段信号；每一共源晶体管对接收的一个频段信号进行第一级放大，得到第一级放大信号，然后将所述第一级放大信号传输到单刀多掷开关；所述单刀多掷开关从N个频段信号的通路中选择一个频段信号的通路，通过选择的通路将对应的第一级放大信号传输到共栅晶体管；所述共栅晶体管隔离输出电路对所述N个输入电路的影响，并将所述第一级放大信号传输到所述输出电路；所述输出电路输出所述第一级放大信号，如此，能够实现在多频带、宽频段低噪声放大的同时，对放大器的噪声、增益、系统功耗进行优化，减少实现多频段放大的同时在性能上作出的牺牲。
基于上述实施例，本实施例提供一种多频段低噪声放大器，下面以两个频段为例进行说明，即N＝2，此时，该放大器包括两个输入电路。图5A为本发明实施例多频段低噪声放大器的组成结构示意图一，如图5A所示，该放大器包括两个输入电路51、第一级放大电路52和输出电路56，其中：
所述两个输入电路51，用于接收两个不同频段信号；
所述第一级放大电路52，包括两个共源晶体管53、单刀双掷开关54、共栅晶体管55；
每一所述共源晶体管53，用于对接收的一个频段信号进行第一级放大，得到第一级放大信号，然后将所述第一级放大信号传输到所述单刀双掷开关54；
所述单刀双掷开关54，用于从两个频段信号的通路中选择一个频段信号的通路，通过选择的通路将对应的第一级放大信号传输到所述共栅晶体管55；
所述共栅晶体管55，用于隔离所述输出电路56对所述两个输入电路51的影响，并将所述第一级放大信号传输到所述输出电路56；
所述输出电路56，用于输出所述第一级放大信号。
基于上述实施例，本实施例提供一种多频段低噪声放大器，下面以三个频段为例进行说明，即N＝3，此时，该放大器包括三个输入电路。图5B为本发明实施例多频段低噪声放大器的组成结构示意图二，如图5B所示，该放大器包括三个输入电路501、第一级放大电路502和输出电路506，其中：
所述三个输入电路501，用于接收三个不同频段信号；
所述第一级放大电路502，包括三个共源晶体管503、单刀三掷开关504、共栅晶体管505；
每一所述共源晶体管503，用于对接收的一个频段信号进行第一级放大，得到第一级放大信号，然后将所述第一级放大信号传输到所述单刀三掷开关504；
所述单刀三掷开关504，用于从三个频段信号的通路中选择一个频段信号的通路，通过选择的通路将对应的第一级放大信号传输到所述共栅晶体管505；
所述共栅晶体管505，用于隔离所述输出电路506对所述三个输入电路501的影响，并将所述第一级放大信号传输到所述输出电路506；
所述输出电路506，用于输出所述第一级放大信号。
本实施例提供一种多频段低噪声放大器，针对于多频段输入级可重构宽带低噪声放大器，利用多输入端分别在多个不同波段得到最佳噪声和输入阻抗匹配效果，并提出了在共源晶体管与共栅晶体管结构中间级联单刀多掷开关的方法，利用这种结构实现不同频率的工作模式切换，同时隔离非工作状态下的频率信号，并有效优化噪声性能。另外，通过级间匹配、第二级放大电路和输出匹配的设计与优化，实现了放大器增益和输出匹配的频带拓宽。该放大器包括N个输入端、N个输入匹配网络、第一级放大电路、级间匹配网络、第二级放大电路、输出匹配网络和输出端，其中，上述N个输入端和N个输入匹配网络可以为2个输入端和2个输入匹配网络、3个输入端和3个输入匹配网络、4个输入端和4个输入匹配网络等，N只要为大于等于2的自然数即可，本发明实施例并不做具体地限定，其中：
所述N个输入端，用于接收来自天线或滤波器的N个不同频段的信号；
所述N个输入匹配网络，用于对对应的输入端进行输入阻抗匹配和噪声匹配；
所述第一级放大电路，包括N个共源晶体管、单刀多掷开关、共栅晶体管；
每一所述共源晶体管，用于对接收的一个频段信号进行第一级放大，得到第一级放大信号，然后将所述第一级放大信号传输到所述单刀多掷开关；
所述单刀多掷开关，用于从N个频段信号的通路中选择一个频段信号的通路，通过选择的通路将对应的第一级放大信号传输到所述共栅晶体管；
所述共栅晶体管，用于隔离所述输出匹配网络、所述输出端对N个输入端、N个输入匹配网络的影响，并将所述第一级放大信号传输到所述级间匹配网络；
所述级间匹配网络，用于减少所述共栅晶体管和所述第二级放大电路之间的阻抗失配；
所述级间匹配网络，还用于将所述第一级放大信号传输到所述第二级放大电路；
所述第二级放大电路，用于将所述第一级放大信号进行第二级放大，得到第二级放大信号，然后将所述第二级放大信号传输到所述输出匹配网络；
所述输出匹配网络，用于实现全频带的输出阻抗匹配，其中，所述输出匹配网络，采用宽带匹配方式，所述全频带是指所述N个不同频段信号所在频段的总和；
所述输出匹配网络，还用于将接收到的所述第二级放大信号传输到所述输出端；
所述输出端，用于将接收到的所述第二级放大信号进行输出。
基于上述实施例，本实施例提供一种多频段低噪声放大器，下面以两个频段为例进行说明，即N＝2，此时，该放大器包括两个输入端、两个输入匹配网络。图6A为本发明实施例多频段低噪声放大器的组成结构示意图三，如图6A所示，该放大器包括两个输入端61、两个输入匹配网络62、第一级放大电路63、级间匹配网络67、第二级放大电路68、输出匹配网络69和输出端70，其中：
所述两个输入端61，用于接收来自天线或滤波器的两个不同频段的信号；
这里，一个输入端，用于接收来自天线或滤波器的X波段的信号，另一个输入端，用于接收来自天线或滤波器的Ku波段的信号，其中，X波段为8-12GHz，Ku波段为12-18GHz。
所述两个输入匹配网络62，用于对对应的输入端进行输入阻抗匹配和噪声匹配；
这里，所述输入匹配网络62可以实现输入阻抗的50欧姆和最佳噪声匹配。
所述第一级放大电路63，包括两个共源晶体管64、单刀双掷开关65、共栅晶体管66；
每一所述共源晶体管64，用于对接收的一个频段信号进行第一级放大，得到第一级放大信号，然后将所述第一级放大信号传输到所述单刀双掷开关65；
这里，一个共源晶体管对接收的X波段信号进行第一级放大，然后将X波段的第一级放大信号传输到所述单刀双掷开关65，或，另一个共源晶体管对接收的Ku波段信号进行第一级放大，然后将Ku波段的第一级放大信号传输到所述单刀双掷开关65。
所述单刀双掷开关65，用于从两个频段信号的通路中选择一个频段信号的通路，通过选择的通路将对应的第一级放大信号传输到所述共栅晶体管66；
这里，所述单刀双掷开关65可以选择X波段信号对应的通路，将X波段的第一级放大信号传输到所述共栅晶体管66，或，所述单刀双掷开关65可以选择Ku波段信号对应的通路，将Ku波段的第一级放大信号传输到所述共栅晶体管66。
所述共栅晶体管66，用于隔离所述输出匹配网络69、所述输出端70对两个输入端61、两个输入匹配网络62的影响，并将所述第一级放大信号传输到所述级间匹配网络67；
这里，所述共栅晶体管66将X波段的第一级放大信号传输到所述级间匹配网络67，或，所述共栅晶体管66将Ku波段的第一级放大信号传输到所述级间匹配网络67。
所述级间匹配网络67，用于减少所述共栅晶体管66和所述第二级放大电路68之间的阻抗失配；
所述级间匹配网络67，还用于将所述第一级放大信号传输到所述第二级放大电路68；
所述第二级放大电路68，用于将所述第一级放大信号进行第二级放大，得到第二级放大信号，然后将所述第二级放大信号传输到所述输出匹配网络69；
所述输出匹配网络69，用于实现全频带的输出阻抗匹配，其中，所述输出匹配网络69，采用宽带匹配方式，所述全频带是指所述两个不同频段信号所在频段的总和；
这里，所述输出匹配网络69用于实现8-18GHz的输出阻抗匹配。
所述输出匹配网络69，还用于将接收到的所述第二级放大信号传输到所述输出端70；
所述输出端70，用于将接收到的所述第二级放大信号进行输出。
本发明实施例中，采用双输入端61，分别接收来自天线或滤波器的信号，作为X和Ku波段信号的输入通路；输入通路连接的是两个对应于不同频段的输入匹配网络62，分别用于两个输入端61的最佳噪声和50欧姆阻抗匹配；输入匹配网络62连接的是第一级放大电路63，根据工作频段的需要进行通路重构，实现了对有用信号的低噪声放大，以及无用信号隔离；第一级放大电路63输出端连接级间匹配网络67，能够减少第一级放大电路63和第二级放大电路68之间在工作频段内的阻抗失配，将有用信号的大部分功率传递到第二级放大电路68的输入端；级间匹配之后为第二级放大电路68，用于对信号的进一步放大，使系统具有足够的增益；第二级放大电路68输出端连接输出匹配网络69，用于实现在8-18GHz的宽带输出阻抗匹配；最后，有用信号从输出端70输出，如此，能够依据不同频段的带宽、噪声要求，设计出最优的噪声和输入匹配，降低噪声和输入匹配网络的设计难度，实现了不同频段放大通路之间的高隔离度，有效降低有用信号的泄露以及非工作频段信号的干扰，并减少其他多频模块对有用信号的性能影响；单刀双掷开关65级联在第一级放大电路63的共源晶体管64之后，开关对噪声的恶化几乎可以忽略，与将MOS开关引入到输入匹配网络实现可调谐的设计方法相比，本发明有效解决了由于开关带来的放大器噪声性能恶化问题；通过电压控制信号实现开关通断的切换，能将处于非工作状态下放大模块的直流电流切断，令其他频段的放大模块不产生额外功耗，从而有效降低多频段低噪声放大器系统的总体功耗；不同频段的信号共用共栅和后级放大、输出匹配等结构，增大了电路的利用率。
基于上述实施例，本实施例提供一种多频段低噪声放大器，下面以三个频段为例进行说明，即N＝3，此时，该放大器包括三个输入端、三个输入匹配网络。图6B为本发明实施例多频段低噪声放大器的组成结构示意图四，如图6B所示，该放大器包括三个输入端601、三个输入匹配网络602、第一级放大电路603、级间匹配网络607、第二级放大电路608、输出匹配网络609和输出端610，其中：
所述三个输入端601，用于接收来自天线或滤波器的三个不同频段的信号；
所述三个输入匹配网络602，用于对对应的输入端进行输入阻抗匹配和噪声匹配；
所述第一级放大电路603，包括三个共源晶体管604、单刀三掷开关605、共栅晶体管606；
每一所述共源晶体管604，用于对接收的一个频段信号进行第一级放大，得到第一级放大信号，然后将所述第一级放大信号传输到所述单刀三掷开关605；
所述单刀三掷开关605，用于从三个频段信号的通路中选择一个频段信号的通路，通过选择的通路将对应的第一级放大信号传输到所述共栅晶体管606；
所述共栅晶体管606，用于隔离所述输出匹配网络609、所述输出端610对三个输入端601、三个输入匹配网络602的影响，并将所述第一级放大信号传输到所述级间匹配网络607；
所述级间匹配网络607，用于减少所述共栅晶体管606和所述第二级放大电路608之间的阻抗失配；
所述级间匹配网络607，还用于将所述第一级放大信号传输到所述第二级放大电路608；
所述第二级放大电路608，用于将所述第一级放大信号进行第二级放大，得到第二级放大信号，然后将所述第二级放大信号传输到所述输出匹配网络609；
所述输出匹配网络609，用于实现全频带的输出阻抗匹配，其中，所述输出匹配网络609，采用宽带匹配方式，所述全频带是指所述三个不同频段信号所在频段的总和；
所述输出匹配网络609，还用于将接收到的所述第二级放大信号传输到所述输出端610；
所述输出端610，用于将接收到的所述第二级放大信号进行输出。
本实施例提供一种多频段低噪声放大器，图7为本发明实施例多频段低噪声放大器的电路拓扑图，如图7所示，所述放大器包括两个输入电路701、第一级放大电路702、级间匹配网络703、第二级放大电路704、输出电路705、旁路网络706和电源Vdd、Vctrl1、Vctrl2、Vg1、Vg2、Vg3、Vg4，其中：
所述两个输入电路701包括两个输入端RFin_X、RFin_Ku，所述两个输入端分别接收X波段信号和Ku波段信号，其中，X波段为8-12GHz，Ku波段为12-18GHz；
所述两个输入电路701还包括两个输入匹配网络，所述两个输入匹配网络包括电容C1、C2和电感L3、L4，其中，所述输入端RFin_X串联连接所述电容C1，所述电容C1与电感L3串联接到晶体管M1的栅极上，晶体管M1的源级通过连接电感L1到地，组成对应于X波段的输入匹配网络；电感L1作为晶体管M1的源退化电感，为放大器的输入端RFin_X提供一个近似于50欧姆的实部阻抗，同时令最佳噪声系数点靠近最佳阻抗匹配点，并与电容C1、电感L3以及晶体管M1的栅源寄生电容等效为一个串联谐振网络，其谐振频率在8-12GHz以内，即令输入端的虚部阻抗接近于零，由此实现输入端RFin_X在X波段内的最佳噪声和阻抗匹配；所述输入端RFin_Ku串联连接电容C2，所述电容C2与电感L4串联接到晶体管M2的栅极上，晶体管M2的源级通过连接电感L2到地，组成对应于Ku波段的输入匹配网络，实现输入端RFin_Ku在Ku波段内的最佳噪声和阻抗匹配。
所述第一级放大电路702包括晶体管M1、M2、M3，电容C3、C13、C14，电感L1、L2，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10，开关管S1、S2、S3、S4，其中，所述共源晶体管M1，所述共源晶体管M2分别作为X和Ku波段信号的共源放大器，对两个工作频段的信号进行初步的放大；电源Vg1为晶体管M1提供栅极偏置，电源Vg2为晶体管M2提供栅极偏置，旁路电容C13、C14分别与电源Vg1，Vg2并联，滤除来自电源的杂波；电阻R1与电阻R2分别串联在电源端，有效隔离来自电源端的噪声；所述晶体管M1与开关管S1、S3连接，其中所述开关管S1、S3组成第一路开关，所述晶体管M2与开关管S2、S4连接，其中所述开关管S2、S4组成第二路开关；开关管S1、S2、S3、S4共同组成一个双输入、单输出串-并结构的单刀双掷开关；开关的第一输入端连接X波段晶体管M1的漏端，第二输入端连接Ku波段晶体管M2的漏端，输出端连接晶体管M3的源端；开关管S1源端作为第一输入端，开关管S2源端作为第二输入端，它们的漏端相连作为开关的输出端；控制电源Vctrl1，Vctrl2通过串联电阻R6、R5分别连接S2、S1的栅端，用来控制两个开关管的通断状态；开关管S3、S4分别在开关的第一、第二输入端并联接地，S3的栅端通过电阻R7连接控制电源Vctrl1，S4的栅端通过电阻R8连接控制电源Vctrl2；开关管栅极的电阻R5、R6、R7和R8能够有效降低射频信号在开关管栅极的泄露，将射频部分和控制部分隔离；在单刀双掷开关的第一、第二输入端和输出端，偏置电阻R3，R4和R10分别并联到地；所述放大器工作在X波段模式下，开关管S1和S4导通，等效于一个小的电阻，开关管S2和S3关断，等效于一个小电容；此时，晶体管M2漏端电压被开关管S4下拉到地，静态工作电流为零，不增加系统功耗，同时，Ku波段信号也被开关管S4导通到地，并通过开关管S2进一步实现隔离，得到对Ku波段通路信号的高隔离度；晶体管M1放大的X波段信号通过开关管S1导通到共栅晶体管M3的源端，继而进行下一步的放大直至信号输出；所述放大器工作在Ku波段模式下，开关管S2和S3导通，开关管S1和S4关断；晶体管M1漏端电压被开关管S3下拉到地，静态工作电流为零，X波段信号也被开关管S3导通到地，并通过开关管S1进一步实现隔离，得到对X波段通路信号的高隔离度；晶体管M2放大的Ku波段信号通过开关管S2导通到共栅晶体管M3的源端，继而进行下一步的放大直至信号输出；所述晶体管M3采用共栅接法，信号从晶体管M3的源端输入，并在晶体管M3的漏端输出；电容C3一端连接在晶体管M3的栅极，另一端接到地，提供射频地，电阻R9和电源Vg3为共栅管M3提供栅极偏置；共栅晶体管M3能够有效提高所述第一级放大电路702的输出阻抗，并能抑制密勒电容对放大器性能的影响，有效隔离所述第二级放大电路704、所述输出电路705对所述输入电路701的影响，提高电路稳定性和反向隔离度。
所述级间匹配网络703包括电感L5和电容C4，其中，所述电感L5与电容C4的一端接到晶体管M3的漏端，电感L5另一端与直流电源Vdd相接，将射频信号和直流电流隔离，直流电源Vdd为所述第一级放大电路702结构提供直流偏置，电容C4另一端接到放大晶体管M4栅极，将第一级放大电路702放大的信号耦合到所述第二级放大电路704的输入端。
所述第二级放大电路704包括晶体管M4、电容C15、电感L6，其中，所述晶体管M4作为第二级共源放大器，为工作频段的信号作进一步放大，所述晶体管M4的栅极通过电容C4与所述级间匹配网络703相接，电源Vg4为所述晶体管M4提供栅极偏置电压；另外，大电阻串接在电源Vg4和晶体管M4栅极之间，隔离来自电源端的噪声，旁路电容C15与电源Vg4并联，滤除来自电源的杂波；负反馈电感L6串接在晶体管M4的源级与地之间，起到增益调节的作用。
所述输出电路705包括输出匹配网络和输出端RFout，所述输出匹配网络包括电感L7、L8，电容C5、C6，电阻R12，其中，所述电感L7与电容C5一端接到晶体管M4的漏端，电感L7另一端与直流电源Vdd相接，将射频信号和直流电流隔离，直流电源Vdd为晶体管M4提供直流偏置；电容C5的另一端连接一个并联到地的电感L8，与电容C6共同组成了一个T形匹配网络；另外，电阻R12与电感L8并联，用来增大输出匹配的带宽，在宽频带下达到50欧姆阻抗匹配的效果；所述电感L5、L6、L7、L8，电容C4、C5、C6，电阻R12共同对放大器的增益进行调节，实现在宽频带范围内的高增益性能；首先，电感L5与电容C4位于所述第一级放大电路702和所述第二级放大电路704之间，将第一级放大电路702输出的大部分信号功率传送到第二级放大电路704的输入端，另外，电感L5为放大器引入了一个位于X波段内的极点；电感L7、L8，电容C5、C6和电阻R12位于第二级放大电路704输出端与信号的输出端RFout之间，将所述第二级放大电路704输出的大部分信号功率传送到负载，另外，电感L7还引入了一个位于Ku波段的极点；两个极点使放大器在8-18GHz的宽频带内均得到较高的增益；除此以外，电感L6一端连接在第二级放大电路704的晶体管M4的源端，另一端接地，为系统引入了串联负反馈；由于电路的两个LC谐振会给增益带来尖峰，尤其是位于低频点的谐振，会引起增益形成较大的突变，从而影响整体增益的平坦度，负反馈电感L6的引入能够降低低频增益，改善增益突变的情况，有效调节系统整体增益性能，实现宽频带下良好的增益平坦度。
所述旁路网络706包括电容C7、C8、C9、C10、C11、C12，电阻R13、R14、R15、R16，其中，所述电容C7、C8、C9，电阻R13、R14以及电容C10、C11、C12，电阻R15、R16分别构成了第一级放大电路702、第二级放大电路704的旁路网络，对来自电源Vdd的高频、低频杂波实现有效滤除，实现电源到放大器漏端的阻抗可控。
下面结合图7对所述放大器的具体工作过程进行详细描述：
所述直流电源Vdd经过电容C7、C8、C9，电阻R13、R14以及电容C10、C11、C12，电阻R15、R16构成的旁路网络滤除杂波后，为第一、第二级放大电路提供直流偏置；
进一步地，电源Vg1、Vg2、Vg3、Vg4分别通过大电阻R1、R2、R3、R11为晶体管M1、M2、M3和M4提供栅极偏压，为晶体管设置了合适的静态偏置状态，使放大器正常工作；
进一步地，X波段信号通过射频输入端RFin_X输入到放大器中，经过电容C1，电感L1、L3和晶体管M1栅漏间寄生电容组成的输入匹配网络，在8-12GHz频带范围内实现最佳噪声和输入阻抗匹配，继而进入第一级放大电路的一条输入通路；
进一步地，Ku波段信号通过射频输入端RFin_Ku输入到放大器中，经过电容C2，电感L2、L4和晶体管M2栅漏间寄生电容组成的输入匹配网络，在12-18GHz频带范围内实现最佳噪声和输入阻抗匹配，继而进入第一级放大电路的另一条输入通路；
进一步地，放大器的工作状态切换主要通过改变控制信号Vctr1，Vctr2实现；
当放大器工作在X波段模式下，控制信号Vctr1令开关管S2、S3处于关断状态，控制信号Vctr2令开关管S1、S4处于导通状态；此时，X波段信号采用共源接法经过晶体管M1，初步放大的信号从晶体管M1的漏端输出，连接到单刀双掷开关的一个输入端；由于处于关断状态的开关管S3此时等效为一个容值很小的电容，而处于导通状态的开关管S1则等效为一个阻值很小的电阻，信号几乎无损耗地经过开关管S1到达晶体管M3的源极，并通过共栅放大从晶体管M3的漏极输出；与此同时，Ku波段信号采用共源接法经过晶体管M2，从晶体管M1的漏端输出，连接到单刀双掷开关的另一个输入端；由于处于关断状态的开关管S2此时等效为一个容值很小的电容，而处于导通状态的开关管S4则等效为一个阻值很小的电阻，信号几乎全部被开关管S4导通到地，不再经过后级的放大和输出结构；
当放大器工作在Ku波段模式下，控制信号Vctr1令开关管S1、S4处于导通状态，控制信号Vctr2令开关管S2、S3处于关断状态；此时，由于处于关断状态的开关管S4此时等效为一个容值很小的电容，而处于导通状态的开关管S2则等效为一个阻值很小的电阻，Ku波段信号几乎无损耗地经过开关管S2到达晶体管M3的源极，并通过共栅放大从晶体管M3的漏极输出；与此同时，由于处于关断状态的开关管S1此时等效为一个容值很小的电容，而处于导通状态的开关管S3则等效为一个阻值很小的电阻，X波段信号几乎全部被开关管S3导通到地，不再经过后级的放大和输出结构；
由此，第一级放大电路实现了对应工作模式下信号的切换以及对有用信号的低噪声放大；
进一步地，有用信号从第一级放大电路的输出端，经过由电容C4、电感L5组成的级间匹配，大部分信号功率进入到第二级放大电路进行再次放大；
进一步地，有用信号从第二级放大电路的输出端，采用共源接法经过晶体管M4；在晶体管M4源端与地之间串联的电感L6为第二级放大电路引入负反馈，有用信号的增益受到该反馈网络的调节；经过放大后的有用信号从晶体管M4的漏端输出，进入到输出匹配结构；
由此，第二级放大电路实现了对有用信号的进一步功率放大；
最后，有用信号经过由电感L7、L8，电容C5、C6，电阻R12组成的输出匹配网络，大部分信号功率经过放大器的输出端传送到负载。
本发明实施例中，利用仿真工具ADS(Automation Device Specification，自动化设备规范)软件进行具体电路仿真，在X波段工作模式下，带宽为4GHz的频带内，放大器噪声系数均小于2.144dB，增益均高于13.3dB，输入、输出反射系数均小于-10dB，两输入通路之间隔离度不低于35.37dB，非工作状态通路信号衰减不低于27.6dB；在Ku波段工作模式下，带宽为6GHz的频带内，放大器噪声系数均小于2.8dB，增益均高于13.8dB，输入、输出反射系数均小于-10dB，两输入通路之间隔离度不低于32.45dB，非工作状态通路信号衰减不低于26.4dB。
基于上述的实施例，本发明实施例再提供一种多频段低噪声的放大方法，图8为本发明实施例多频段低噪声的放大方法的实现流程示意图一，如图8所示，该方法包括：
S801，放大器的N路开关从所述放大器的N个输入电路、N个共源晶体管、N路开关之间的N个频段信号的通路中选择一个频段信号的通路；
S802，选择后的输入电路接收来自天线或滤波器的频段信号；
S803，选择后的共源晶体管对接收的频段信号进行第一级放大，得到第一级放大信号，然后将所述第一级放大信号传输到选择后的对应开关；
S804，所述对应开关将所述第一级放大信号传输到所述放大器的共栅晶体管；
S805，所述共栅晶体管隔离放大器的输出电路对所述输入电路的影响，并将所述第一级放大信号传输到所述放大器的输出电路；
S806，所述输出电路输出所述第一级放大信号。
基于上述的实施例，本发明实施例再提供一种多频段低噪声的放大方法，图9为本发明实施例多频段低噪声的放大方法的实现流程示意图二，如图9所示，该方法包括：
S901，放大器的N路开关从所述放大器的N个输入端、N个输入匹配网络、N个共源晶体管、N路开关之间的N个频段信号的通路中选择一个频段信号的通路；
S902，选择后的输入端接收来自天线或滤波器的频段信号；
S903，选择后的输入匹配网络对所述输入端进行输入阻抗匹配和噪声匹配；
S904，选择后的共源晶体管对接收的频段信号进行第一级放大，得到第一级放大信号，然后将所述第一级放大信号传输到选择后的对应开关；
S905，所述对应开关将所述第一级放大信号传输到所述放大器的共栅晶体管；
S906，所述共栅晶体管隔离放大器的输出匹配网络、输出端对所述输入端、输入匹配网络的影响，并将所述第一级放大信号传输到所述放大器的级间匹配网络；
S907，所述级间匹配网络减少所述共栅晶体管和放大器的第二级放大电路之间的阻抗失配，并将所述第一级放大信号传输到所述第二级放大电路；
S908，所述第二级放大电路将所述第一级放大信号进行第二级放大，得到第二级放大信号，然后将所述第二级放大信号传输到放大器的输出匹配网络；
S909，所述输出匹配网络实现全频带的输出阻抗匹配，并将接收到的所述第二级放大信号传输到所述放大器输出端，其中，所述输出匹配网络，采用宽带匹配方式，所述全频带是指所述N个不同频段信号所在频段的总和；
S910，所述输出端将接收到的所述第二级放大信号进行输出。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
以上所述，仅为本发明的实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多频段低噪声放大器，其特征在于，所述放大器包括：N个输入电路，N为大于等于2的自然数、第一级放大电路和输出电路，其中：
所述N个输入电路，用于接收N个不同频段信号；
所述第一级放大电路，包括N个共源晶体管、N路开关、共栅晶体管，其中：
每一所述共源晶体管，用于对接收的一个频段信号进行第一级放大，得到第一级放大信号，然后将所述第一级放大信号传输到所述N路开关；
所述N路开关，用于从N个频段信号的通路中选择一个频段信号的通路，通过选择的通路将对应的第一级放大信号传输到所述共栅晶体管；
所述共栅晶体管，用于隔离所述输出电路对所述N个输入电路的影响，并将所述第一级放大信号传输到所述输出电路；
所述输出电路，用于输出所述第一级放大信号。
2.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，每一所述输入电路包括输入端和输入匹配网络，其中：
所述输入端，用于接收来自天线或滤波器的对应频段的信号；
所述输入匹配网络，用于对对应的输入端进行输入阻抗匹配；
所述输入匹配网络，还用于对对应的输入端进行噪声匹配。
3.根据权利要求2所述的放大器，其特征在于，所述放大器还包括级间匹配网络，其中：
所述级间匹配网络，用于减少所述共栅晶体管和所述输出电路之间的阻抗失配；
所述级间匹配网络，还用于将所述第一级放大信号传输到所述输出电路。
4.根据权利要求3所述的放大器，其特征在于，所述放大器还包括第二级放大电路，其中：
所述第二级放大电路，用于将所述级间匹配网络输出的所述第一级放大信号进行第二级放大，得到第二级放大信号，然后将所述第二级放大信号传输到所述输出电路。
5.根据权利要求4所述的放大器，其特征在于，所述输出电路包括输出匹配网络和输出端，其中：
所述输出匹配网络，用于实现全频带的输出阻抗匹配，其中，所述输出匹配网络，采用宽带匹配方式，所述全频带是指所述N个不同频段信号所在频段的总和；
所述输出匹配网络，还用于将接收到的所述第二级放大信号传输到所述输出端；
所述输出端，用于将接收到的所述第二级放大信号进行输出。
6.一种多频段低噪声的放大方法，其特征在于，所述方法包括：
放大器的N路开关从所述放大器的N个输入电路、N个共源晶体管、N路开关之间的N个频段信号的通路中选择一个频段信号的通路；
选择后的输入电路接收来自天线或滤波器的频段信号；
选择后的共源晶体管对接收的频段信号进行第一级放大，得到第一级放大信号，然后将所述第一级放大信号传输到选择后的对应开关；
所述对应开关将所述第一级放大信号传输到所述放大器的共栅晶体管；
所述共栅晶体管隔离放大器的输出电路对所述输入电路的影响，并将所述第一级放大信号传输到所述放大器的输出电路；
所述输出电路输出所述第一级放大信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述选择后的输入电路接收来自天线或滤波器的频段信号，包括：
所述输入电路的输入端接收来自天线或滤波器的频段信号；
所述输入电路的输入匹配网络对所述输入端进行输入阻抗匹配和噪声匹配。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述放大器的级间匹配网络减少所述共栅晶体管和所述输出电路之间的阻抗失配；
所述级间匹配网络将所述第一级放大信号传输到所述输出电路。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述放大器的第二级放大电路将所述级间匹配网络输出的所述第一级放大信号进行第二级放大，得到第二级放大信号，然后将所述第二级放大信号传输到所述输出电路。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述输出电路输出所述第一级放大信号，包括：
所述输出电路的输出匹配网络实现全频带的输出阻抗匹配，其中，所述输出匹配网络，采用宽带匹配方式，所述全频带是指所述N个不同频段信号所在频段的总和；
所述输出匹配网络将接收到的所述第二级放大信号传输到所述输出电路的输出端；
所述输出端将接收到的所述第二级放大信号进行输出。
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