CN111293992B - 基于复数阻抗匹配网络的低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于复数阻抗匹配网络的低噪声放大器，包括介质板、芯片、直流偏置电路、输入端复数阻抗匹配网络、输出端复数阻抗匹配网络、输入端传输线和输出端传输线；输入端复数阻抗匹配网络串接在输入端传输线和芯片的左侧引脚之间；输出端复数阻抗匹配网络串接在芯片的右侧引脚和输出端传输线之间。本发明首次将复数阻抗变换电路应用于低噪放的设计中，该复数阻抗变换电路自带隔直特性，具有工作带宽宽(在f0＝1.2GHz时相对带宽为13.2％)、易加工、体积小和成本低的特点，且其输入、输出复数阻抗匹配网络结构简单新颖，实测中易调节，因此适于广泛推广。

Description

基于复数阻抗匹配网络的低噪声放大器
技术领域
本发明涉及一种基于复数阻抗匹配网络的低噪声放大器。属于电子技术领域。
背景技术
随着无线通信技术理论的完善和软硬件水平的不断提升，对射频技术提出了更高的要求。射频电路主要分为有源电路和无源电路，低噪声放大电路是一种重要的射频有源电路。它的作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，减少噪声干扰，以供系统解调出信息数据。
低噪声放大器作为接收系统的第一个电路单元，它的性能直接影响着整个接收机的性能。低噪声放大电路设计的关键步骤之一，就是使芯片工作电路的端口阻抗与50欧姆传输线相匹配，在这两部分之间实现最大功率传输。对于输入端而言，还要满足低噪声的要求，这就需要在射频电路中加入阻抗匹配网络。同时，传统的低噪声放大电路为了防止直流偏置信号传到两端口，需要另外添加隔直电容。
受成本及技术难度等的限制，目前最常用的匹配方法是支节匹配法，其原理是利用在传输线上并接或串接终端短路或开路的支节线，接入支节线新产生的反射波抵消原来的反射波，从而达到匹配。其中一类是单微带线支节匹配，这样的匹配具有结构简单、易调节的有点，但是工作带宽窄(在f0＝1.2GHz时，其相对带宽为6.7％)。另一类是(两)多支节匹配，这种匹配方式虽然能一定程度上展宽工作带宽，但是优化复杂。特别是对于多支节匹配电路，调节优化参数的难度较大，很少被采用。
有鉴于此，确有必要提出一种具有固有隔直特性的阻抗匹配电路，在一定成本及技术难度范围内使其既具有简单的结构，无需额外放置隔直流电容又能实现较宽的工作带宽，从而简化低噪放的设计，提高低噪放的性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供了一种基于复数阻抗匹配网络的低噪声放大器。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于复数阻抗匹配网络的低噪声放大器，其特点是：包括介质板、芯片、直流偏置电路、输入端复数阻抗匹配网络、输出端复数阻抗匹配网络、输入端传输线和输出端传输线；输入端复数阻抗匹配网络串接在输入端传输线和芯片的左侧引脚之间；输出端复数阻抗匹配网络串接在芯片的右侧引脚和输出端传输线之间；
输入端复数阻抗匹配网络包括第一微带线、第二微带线、第一平行耦合线和第一电容；第一平行耦合线包括A、B、C和D四个连接点，输入端复数阻抗匹配网络的第一微带线与第一平行耦合线的A点连接，第二微带线与第一平行耦合线的B点连接，第一电容并接在第一平行耦合线的C、D点之间；
输出端复数阻抗匹配网络包括第三微带线、第四微带线、第二平行耦合线、第二电容、第一U型传输线和第二U型传输线；第二平行耦合线包括E、F、G和H四个连接点，所述输出端复数阻抗匹配网络的第三微带线与第二平行耦合线的E点连接，第四微带线与第二平行耦合线的F点连接；第二电容串接在第一U型传输线和第二U型传输线之间，第二电容、第一U型传输线和第二U型传输线整体并接在第二平行耦合线的G、H点之间。
进一步的，所述直流偏置电路包括直流偏置电阻、扼流电感、旁路电容、负反馈电感和连接线；所述直流偏置电阻包括第一直流偏置电阻、第二直流偏置电阻和第三直流偏置电阻；所述扼流电感包括第一扼流电感和第二扼流电感；所述旁路电容包括第一旁路电容和第二旁路电容；所述负反馈电感包括第一负反馈电感和第二负反馈电感。
进一步的，输入端复数阻抗匹配网络的左端阻抗为50欧姆，右端阻抗为复数阻抗。
进一步的，输出端复数阻抗匹配网络的左端阻抗为复数阻抗，右端阻抗为50欧姆。
进一步的，输入端传输线和输出端传输线均为50欧姆传输线。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种基于复数阻抗匹配网络的低噪声放大器，与现有的低噪放设计技术相比，其显著优点为：首次将复数阻抗变换电路应用于低噪放的设计中，该复数阻抗变换电路自带隔直特性，具有工作带宽宽(在f0＝1.2GHz时相对带宽为13.2％)、易加工、体积小和成本低的特点，且其输入、输出复数阻抗匹配网络结构简单新颖，实测中易调节，因此适于广泛推广。
附图说明
图1为本发明一种基于复数阻抗匹配网络的低噪声放大器的结构示意图。
图2为本发明的直流偏置电路结构示意图。
图3为本发明的输入端复数阻抗匹配网络的结构示意图。
图4为本发明的输出端复数阻抗匹配网络的结构示意图。
图5为本发明的输入端复数阻抗匹配网络的S参数示意图。
图6为本发明的输出端复数阻抗匹配网络的S参数示意图。
图7为图5、图6和直流偏置电路结合形成的结果图。
图中：
介质板1，芯片2；
直流偏置电路3，直流偏置电阻31，第一直流偏置电阻311，第二直流偏置电阻312，第三直流偏置电阻313，扼流电感32，第一扼流电感321，第二扼流电感322，旁路电容33，第一旁路电容331，第二旁路电容332，负反馈电感34，第一负反馈电感341，第二负反馈电感342，连接线35；
输入端复数阻抗匹配网络4，第一微带线41，第二微带线42，第一平行耦合线43，第一电容44；
输出端复数阻抗匹配网络5，第三微带线51，第四微带线52，第二平行耦合线53，第二电容54，第一U型传输线55，第二U型传输线56；
输入端传输线6，输出端传输线7。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参见图1，本发明一种基于复数阻抗匹配网络的低噪声放大器，包括介质板1、芯片2、直流偏置电路3、输入端复数阻抗匹配网络4、输出端复数阻抗匹配网络5、输入端传输线6和输出端传输线7；输入端复数阻抗匹配网络4串接在输入端传输线6和芯片2的左侧引脚之间；输出端复数阻抗匹配网络5串接在芯片2的右侧引脚和输出端传输线7之间；
参见图2所述直流偏置电路3包括直流偏置电阻31、扼流电感32、旁路电容33、负反馈电感34和连接线35；所述直流偏置电阻31包括第一直流偏置电阻311、第二直流偏置电阻312和第三直流偏置电阻313；所述扼流电感32包括第一扼流电感321和第二扼流电感322；所述旁路电容33包括第一旁路电容331和第二旁路电容332；所述负反馈电感34包括第一负反馈电感341和第二负反馈电感342；
参见图3，所述输入端复数阻抗匹配网络4包括第一微带线41、第二微带线42、第一平行耦合线43和第一电容44；第一平行耦合线43包括A、B、C和D四个连接点，输入端复数阻抗匹配网络4的第一微带线41与第一平行耦合线43的A点连接，第二微带线42与第一平行耦合线43的B点连接，第一电容44并接在第一平行耦合线43的C、D点之间；输入端复数阻抗匹配网络4的左端阻抗为50欧姆，右端阻抗为复数阻抗；
参见图4，所述输出端复数阻抗匹配网络5包括第三微带线51、第四微带线52、第二平行耦合线53、第二电容54、第一U型传输线55和第二U型传输线56；第二平行耦合线53包括E、F、G和H四个连接点，所述输出端复数阻抗匹配网络5的第三微带线51与第二平行耦合线53的E点连接，第四微带线52与第二平行耦合线53的F点连接；第二电容54串接在第一U型传输线55和第二U型传输线56之间，第二电容54、第一U型传输线55和第二U型传输线56整体并接在第二平行耦合线53的G、H点之间；输出端复数阻抗匹配网络5的左端阻抗为复数阻抗，右端阻抗为50欧姆；
输入端传输线6和输出端传输线7均为50欧姆传输线；
实施例一、以ATF54143低噪声放大芯片为例，采用1.5mm的FR4介质板建模，并在频率1.2GHz的条件下进行设计：
在ADS中创建直流偏置电路3为芯片2提供5V的电压。确认芯片2工作电压正确后，将芯片2的输入、输出端口分别与输入端传输线6和输出端传输线7进行阻抗匹配。其中，芯片2的输入端采用最小噪声系数匹配原则，利用smith圆图中的最小噪声系数圆和最大增益圆确定输入端口阻抗为(26+j11)Ω。输出端采用最大增益匹配原则，输出端口阻抗为(100+j71)Ω。
将上述得到的端口阻抗在设计好的复数阻抗匹配网络中进行共轭匹配。对于输入端复数阻抗匹配网络4，经仿真可得，第一微带线41和第二微带线42的阻抗均为132Ω，电长度均为51°；第一平行耦合线43的偶模阻抗为159Ω，奇模阻抗为65Ω，电长度为36°；第一电容44的电容值为0.1pF。输入端复数阻抗匹配网络的S参数如图5所示。
对于输出端复数阻抗匹配网络5，经仿真可得，第三微带线51和第四微带线52的阻抗均为132Ω，电长度均为51°；第二平行耦合线53的偶模阻抗为159Ω，奇模阻抗为65Ω，电长度为36°；第二电容54的电容值为150pF；第一U型传输线55和第二U型传输线56的阻抗均为132Ω，电长度均为25.5°。输出端复数阻抗匹配网络的S参数如图6所示。
将上述输入端复数阻抗匹配网络、输出端复数阻抗匹配网络和直流偏置电路结合形成完整的低噪声放大电路。图7是本发明所述放大器的结果图。可以看到，在1.2GHz实现了阻抗匹配，增益大于17dB。
在上述实施例中，仅对本发明进行示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (4)

1.一种基于复数阻抗匹配网络的低噪声放大器，其特征在于：包括介质板、芯片、直流偏置电路、输入端复数阻抗匹配网络、输出端复数阻抗匹配网络、输入端传输线和输出端传输线；输入端复数阻抗匹配网络串接在输入端传输线和芯片的左侧引脚之间；输出端复数阻抗匹配网络串接在芯片的右侧引脚和输出端传输线之间；
输入端复数阻抗匹配网络包括第一微带线、第二微带线、第一平行耦合线和第一电容；第一平行耦合线包括A、B、C和D四个连接点，输入端复数阻抗匹配网络的第一微带线与第一平行耦合线的A点连接，第二微带线与第一平行耦合线的B点连接，第一电容并接在第一平行耦合线的C、D点之间；
输出端复数阻抗匹配网络包括第三微带线、第四微带线、第二平行耦合线、第二电容、第一U型传输线和第二U型传输线；第二平行耦合线包括E、F、G和H四个连接点，所述输出端复数阻抗匹配网络的第三微带线与第二平行耦合线的E点连接，第四微带线与第二平行耦合线的F点连接；第二电容串接在第一U型传输线和第二U型传输线之间，第二电容、第一U型传输线和第二U型传输线整体并接在第二平行耦合线的G、H点之间；
所述直流偏置电路包括直流偏置电阻、扼流电感、旁路电容、负反馈电感和连接线；所述直流偏置电阻包括第一直流偏置电阻、第二直流偏置电阻和第三直流偏置电阻；所述扼流电感包括第一扼流电感和第二扼流电感；所述旁路电容包括第一旁路电容和第二旁路电容；所述负反馈电感包括第一负反馈电感和第二负反馈电感。
2.根据权利要求1所述的一种基于复数阻抗匹配网络的低噪声放大器，其特征在于：输入端复数阻抗匹配网络的左端阻抗为50欧姆，右端阻抗为复数阻抗。
3.根据权利要求1所述的一种基于复数阻抗匹配网络的低噪声放大器，其特征在于：输出端复数阻抗匹配网络的左端阻抗为复数阻抗，右端阻抗为50欧姆。
4.根据权利要求3所述的一种基于复数阻抗匹配网络的低噪声放大器，其特征在于：输入端传输线和输出端传输线均为50欧姆传输线。
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