CN111654250A - 一种应用于射频前端接收机的毫米波自适应限幅器 - Google Patents

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钟立平
章国豪
黄国宏
唐浩
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Abstract

一种应用于射频前端接收机的毫米波自适应限幅器，涉及毫米波技术领域，包括天线、射频开关、输入匹配模块以及低噪声放大器LNA，所述天线的输出端与射频开关的第一端相连，所述射频开关的第二端与输入匹配模块的输入端相连，所述输入匹配模块的输出端与低噪音放大器LNA的输入端相连；其中，所述天线输入射频信号，经过所述输入匹配模块对输入信号进行自适应限幅处理，从输入匹配模块输出端输出并输出至低噪音放大器LNA的输入端；本发明通过设置输入匹配模块，实现高性能低噪声放大器的设计的同时，实现高功率限幅功能，很好的保护了LNA的后续电路。

Description

一种应用于射频前端接收机的毫米波自适应限幅器
技术领域
本发明涉及毫米波技术领域，具体涉及一种应用于射频前端接收机的毫米波自适应限幅器。
背景技术
在微波毫米波系统中，为防止接收机的前置低噪声放大器(LNA)被发射的泄漏功率烧毁，需在低噪声放大器前面安置限幅器，限幅器电路目前有两种形式，一种是采用分立的硅(si)材料的PIN二极管，采用混合电路的方式完成，其特点是体积大，插入损耗大，工作频带低。另一种是采用集成电路工艺，如砷化镓(GaAs)，限幅器单片具有体积小，插入损耗小，应用频率高，使用方便的特点，但通过的功率小。单片限幅器电路及其加工工艺的设计需要结合电路拓扑结构，材料结构，PIN二极管工艺等；如图1所示。现有的技术方案是利用与LNA等前端器件相同工艺可集成的PIN二极管结构，一端接在LNA的输入端口前，一端接地，通过控制PIN二极管的工作状态，在小功率微波信号时以较小的差损使得信号顺利通过，而通过高功率的微波信号时，则被衰减到较低的功率电平，这样可以有效地保护低噪声放大器(LNA)；具体的工作原理为：如图2所示。该方案工作方式如下，当输入信号电压幅度小于PIN二极管的开启电压时，接地的并联支路等效于一个并联电容，微波信号通过；当信号电压幅度大于PIN二极管的开启电压，PIN二极管导通，接地的并联支路等效于一个并联小电阻，微波信号通过电阻到地，大大减小了输出的信号功率。但是在毫米波频段，这种结构不再适用。因为PIN二极管将占据相当大的面积，并且在毫米波频段耦合效应大大增强，会引入额外的噪声和匹配损耗问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的限幅器电路不适合用于毫米波频段中，由于现有的限幅器电路中的PIN二极管占据相当大的面积，并且在毫米波段耦合效应大大增强，会引入额外的噪声和匹配损耗的技术缺陷。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种应用于射频前端接收机的毫米波自适应限幅器，其特征在于，包括天线、射频开关、输入匹配模块以及低噪声放大器LNA，所述天线的输出端与射频开关的第一端相连，所述射频开关的第二端与输入匹配模块的输入端相连，所述输入匹配模块的输出端与低噪音放大器LNA的输入端相连；其中，所述天线输入射频信号，经过所述输入匹配模块对输入信号进行自适应限幅处理，从输入匹配模块输出端输出并输出至低噪音放大器LNA的输入端。
进一步的，所述输入匹配模块包括限幅单元以及与限幅单元相连的匹配网络单元。
进一步的，限幅单元包括晶体管FET，晶体管FET的栅极G和漏极D的公共端作为电路的输入端接射频开关的第二端，所述晶体管FET的源极S接地。
进一步的，所述匹配网络单元包括电容C1和电感L1，所述电容C1的第一端接晶体管FET栅极G和漏极D的公共端，电容C1的第二端接电感L1的第一端，电感L1的第二端接地。
进一步的，所述晶体管FET的栅极G和漏极D的公共端作为输入匹配模块的输入端与射频开关第二端相连，所述电容C1和电感L1的公共端作为输入匹配模块的输出端与低噪声放大器LNA相连。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提出了一种应用于射频前端接收机的毫米波自适应限幅器，其通过在射频电路中采用输入匹配模块代替现有技术中采用PIN二极管的限幅器，其中，所述天线输入射频信号，经过所述输入匹配模块对输入信号进行自适应限幅处理，从输入匹配模块输出端输出并输出至低噪音放大器LNA的输入端，本发明通过设置输入匹配模块，实现高性能低噪声放大器的设计的同时，实现高功率限幅功能，很好的保护了LNA的后续电路。
附图说明
图1为现有技术的射频接收前端；
图2为现有的限幅器；
图3为本发明的射频接收前端；
图4为本发明的自适应限幅器；
图5为本发明的自适应限幅器的小信号输入状态图；
图6为本发明的自适应限幅器的大信号输入状态图。
具体实施方式
下面将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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图3-6所示，一种应用于射频前端接收机的毫米波自适应限幅器，其特征在于，包括天线、射频开关、输入匹配模块以及低噪声放大器LNA，所述天线的输出端与射频开关的第一端相连，所述射频开关的第二端与输入匹配模块的输入端相连，所述输入匹配模块的输出端与低噪音放大器LNA的输入端相连；其中，所述天线输入射频信号，经过所述输入匹配模块对输入信号进行自适应限幅处理，从输入匹配模块输出端输出并输出至低噪音放大器LNA的输入端。
本发明提出了一种应用于射频前端接收机的毫米波自适应限幅器，其通过在射频电路中采用输入匹配模块代替现有技术中采用PIN二极管的限幅器，其中，所述天线输入射频信号，经过所述输入匹配模块对输入信号进行自适应限幅处理，从输入匹配模块输出端输出并输出至低噪音放大器LNA的输入端，本发明通过设置输入匹配模块，实现高性能低噪声放大器的设计的同时，实现高功率限幅功能，很好的保护了LNA的后续电路。
具体的，所述输入匹配模块包括限幅单元以及与限幅单元相连的匹配网络单元。
具体的，限幅单元包括晶体管FET，晶体管FET的栅极G和漏极D的公共端作为电路的输入端接射频开关的第二端，所述晶体管FET的源极S接地。
具体的，所述匹配网络单元包括电容C1和电感L1，所述电容C1的第一端接晶体管FET栅极G和漏极D的公共端，电容C1的第二端接电感L1的第一端，电感L1的第二端接地。
具体的工作原理为：本发明通过采用与LNA设计当中匹配一致的晶体管，将晶体管(FET)栅极G、漏极D接信号的输入端，源极S接地，如图3、4所示。当输入一个小的射频信号时，输入信号电压摆幅小于晶体管的开启电压Vth，此时晶体管相当于一个并联到地的电容C0，等效电容Coff由栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd等效而来，是晶体管器件本身参数的等效关系决定的，栅漏电容Cgd和栅源电容Cgs与Coff并联组成C0，C0是取决于器件本身的等效电容，在晶体管开启和关断时都是存在的，但当晶体管处于关断状态时，晶体管不存在沟道电荷，所以晶体管等效为C0。
如图5所示；此时调整晶体管的栅宽和栅指数即改变C0的大小，进行输入匹配和噪声匹配的设计。输入匹配网络由晶体管关断状态下的等效电容C0、串联电容C1和并联到地电感L1共同组成，输入匹配网络用于将射频开关输出端的负载阻抗与LNA的输入阻抗进行共轭匹配以达到最佳噪声系数和最大增益效果。阻抗值是由某器件的阻抗实部的平方加上阻抗虚部的平方开根号而来即(Z＝a+b*j，
Figure BDA0002532429440000051
)，电容和电感是纯虚部器件，它们的加入会改变两端口之间的阻抗的虚部值，也就改变了阻抗值，此时可以通过调整电容电感的值和在电路中的位置来达到阻抗匹配的效果。
当输入一个大的射频信号时，输入信号的电压摆幅大于晶体管的开启电压Vth，此时晶体管相当于一个导通电阻Ron与等效电容Coff、栅漏电容Cgd和栅源电容Cgs的并联，导通电阻Ron是由于Vgs大于Vth所以在漏和源之间形成了沟道电荷，此时电流由栅漏电容Cgd流经到栅源电容Cgs，因为存在电流和电压差所以栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd间相当于一个小的导通电阻。此时很大一部分信号随着晶体管的导通泄漏到地，并且由于导通电阻占据绝大部分的工作状态，此时等效电容效应可以忽略不计，如图6所示。此时，LNA的输入匹配改变，导致输入匹配失调，产生较大的阻抗衰减，减小流入LNA第一级中的输入功率，因此实现了良好的限幅效果。
具体的，所述晶体管FET的栅极G和漏极D的公共端作为输入匹配模块的输入端与射频开关第二端相连，所述电容C1和电感L1的公共端作为输入匹配模块的输出端与低噪声放大器LNA相连。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用于射频前端接收机的毫米波自适应限幅器，其特征在于，包括天线、射频开关、输入匹配模块以及低噪声放大器LNA，所述天线的输出端与射频开关的第一端相连，所述射频开关的第二端与输入匹配模块的输入端相连，所述输入匹配模块的输出端与低噪音放大器LNA的输入端相连；其中，所述天线输入射频信号，经过所述输入匹配模块对输入信号进行自适应限幅处理，从输入匹配模块输出端输出并输出至低噪音放大器LNA的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种应用于射频前端接收机的毫米波自适应限幅器，其特征在于，所述输入匹配模块包括限幅单元以及与限幅单元相连的匹配网络单元。
3.根据权利要求2所述的一种应用于射频前端接收机的毫米波自适应限幅器，其特征在于，限幅单元包括晶体管FET，晶体管FET的栅极G和漏极D的公共端作为电路的输入端接射频开关的第二端，所述晶体管FET的源极S接地。
4.根据权利要求3所述的一种应用于射频前端接收机的毫米波自适应限幅器，其特征在于，所述匹配网络单元包括电容C1和电感L1，所述电容C1的第一端接晶体管FET栅极G和漏极D的公共端，电容C1的第二端接电感L1的第一端，电感L1的第二端接地。
5.根据权利要求4所述的一种应用于射频前端接收机的毫米波自适应限幅器，其特征在于，所述晶体管FET的栅极G和漏极D的公共端作为输入匹配模块的输入端与射频开关第二端相连，所述电容C1和电感L1的公共端作为输入匹配模块的输出端与低噪声放大器LNA相连。
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