CN112511114B - 一种具有功率分配功能的低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有功率分配功能的低噪声放大器，该低噪声放大器具有一个射频输入端口和两个射频输出端口，其特征在于：该低噪声放大器按照射频信号链路传输路径顺序设置输入级、中间级和输出级，输出级包括输出级一和输出级二；所述输入级用于实现射频输入端口宽频带50欧姆阻抗匹配、并提供足够高的功率增益；所述输入级包括输入阻抗匹配网络、负反馈电感、晶体管一和偏置电阻组成；所述输入阻抗匹配网络和负反馈电感用于为射频输入端口提供宽频带50欧姆阻抗匹配；所述晶体管一用于将射频输入端口的射频功率信号进行放大，输出到节点一；偏置电阻将交流信号与直流偏置电压隔离；本发明可广泛用于卫星导航、无线通信等领域。

Description

一种具有功率分配功能的低噪声放大器
技术领域
本发明涉及低噪声放大器，具体涉及一种具有功率分配功能的低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器广泛应用于接收机射频前端电路，用于接收来至于天线的微弱射频信号，提供足够高的功率增益以降低整个接收链路的噪声系统，提高系统的接收灵敏度。随着高精度卫星导航定位、宽带高速无线通信、软件定义无线电等系统需求，接收机系统由单频点、窄带接收机向多频段接收机发展。多频段接收机的射频前端电路由支持多个频段的天线、低噪声放大器、功率分配器、滤波器组成。
传统的多频段接收机射频前端电路的硬件解决方案中,多频段射频信号由多频段天线接收，由低噪声放大器将多频段射频信号放大，经过功率分配器分解为两个频段后再至两个频段相应的射频滤波器。其中低噪声放大器、滤波器为双端口器件，功率分配器为双端口器件，为确认射频性能、实现阻抗匹配、降低端口信号反射，各端口阻抗以及端口之间的互连线阻抗均要求严格按照50欧姆进行设计。传统方案的缺点在于：1)功率分配器硬件成本较高、体积较大，不利于接收机前端电路的低成本与小型化趋势发展；2)功率分配器存在大于3分贝的功率增益损耗，使得射频前端电路总体增益下降，从而影响系统接收灵敏度。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种具有功率分配功能的低噪声放大器，该放大器能降低多频段接收机射频前端电路的成本、体积，提高接收灵敏度。
本发明的技术方案是，一种具有功率分配功能的低噪声放大器，该低噪声放大器具有一个射频输入端口和两个射频输出端口，其特征在于：所述低噪声放大器按照射频信号链路传输路径顺序设置输入级、中间级和输出级，输出级包括输出级一和输出级二；
所述输入级用于实现射频输入端口宽频带50欧姆阻抗匹配、并提供足够高的功率增益；所述输入级包括输入阻抗匹配网络、负反馈电感、晶体管一和偏置电阻组成；所述输入阻抗匹配网络和负反馈电感用于为射频输入端口提供宽频带50欧姆阻抗匹配；所述晶体管一用于将射频输入端口的射频功率信号进行放大，输出到节点一；偏置电阻将交流信号与直流偏置电压隔离，为晶体管一提供直流工作点；
所述中间级由无源器件一和无源器件二组成；所述中间级将输入级输出的射频信号从节点一分配到节点二和节点三，节点一与节点二通过无源器件一连接，节点一与节点三通过无源器件二连接；通过选择无源器件一和无源器件二的电感值或者电阻值，优化二和节点三的阻抗；提升整体电路功率增益，降低整体电路噪声系数。
所述输出级一和输出级二的输入端分别连接节点二和节点三；
所述输出级一包括晶体管二和负载谐振网络二；所述晶体管二用于将节点一的射频信号在射频输出端口一的频段范围内进行放大后输出；所述负载谐振网络二在射频输出端口一的频段具有良好的阻抗匹配，以在射频输出端口一的频段范围内实现增益最大化，同时降低在射频输出端口二的频段的增益，起到额外的频率选择特性；
所述输出级二包括晶体管三和负载谐振网络三；所述晶体管三用于将节点二的射频信号在射频输出端口二的频段范围内进行放大后输出；所述负载谐振网络三用于在射频输出端口二的频段范围内实现良好的阻抗匹配，以在射频输出端口二的频段范围内实现增益最大化，同时降低在射频输出端口一的频段的增益，起到额外的频率选择特性。
根据本发明所述的一种具有功率分配功能的低噪声放大器的优选方案，晶体管一为三极管、双极型晶体管、MOS管或场效应晶体管。
根据本发明所述的一种具有功率分配功能的低噪声放大器的优选方案，晶体管二、晶体管三为三极管、双极型晶体管、MOS管或场效应晶体管。
本发明所述的一种具有功率分配功能的低噪声放大器的有益效果是：
1)、该低噪声放大器具有功率分配功能，无需外使用额外的功率分配器件，降低了系统成本和体积。
2)、输入级、中间级、输出级1、输出级2采用复用电流的共射共基放大器结构，不会增加额外的功耗。
3)、输入级采用共发射极放大器结构、采用电感负反馈实现宽带阻抗匹配。
4)、中间级由无源器件Z1和Z2构成，可提升整体电路功率增益，降低整体电路噪声系数。
5)、输出级一和输出级二采用共基极放大器结构，通过负载谐振网络分别实现射频输出端口一的频段和射频输出端口二的频段范围良好的阻抗匹配、增益最大化以及频率选择性。
本发明可广泛用于卫星导航、无线通信等领域。
附图说明
图1是本发明所述的一种具有功率分配功能的低噪声放大器电路原理框图。
图2是本发明所述的一种具有功率分配功能的低噪声放大器功率增益仿真效果图。
图3是本发明所述的一种具有功率分配功能的低噪声放大器噪声系数仿真效果图。
图4是本发明所述的一种具有功率分配功能的低噪声放大器输出端口反射系数仿真效果图。
具体实施方式
参见图1，一种具有功率分配功能的低噪声放大器，该低噪声放大器具有一个射频输入端口RF1和两个射频输出端口RF2、RF3，所述低噪声放大器按照射频信号链路传输路径顺序设置输入级1、中间级2和输出级，输出级包括输出级一3和输出级二4。
所述输入级1用于实现射频输入端口RF1宽频带50欧姆阻抗匹配、并提供足够高的功率增益；所述输入级1包括输入阻抗匹配网络L1、C1、负反馈电感L2、晶体管一Q1和偏置电阻R1组成；所述输入阻抗匹配网络L1、C1和负反馈电感L2用于为射频输入端口RF1提供宽频带50欧姆阻抗匹配；所述晶体管一Q1用于将射频输入端口RF1的射频功率信号进行放大，输出到节点一a；偏置电阻R1将交流信号与直流偏置电压隔离，为晶体管一Q1提供直流工作点。
所述中间级2由无源器件一Z1和无源器件二Z2组成；所述中间级2将输入级1输出的射频信号从节点一a分配到节点二b和节点三c，节点一a与节点二b通过无源器件一Z1连接，节点一a与节点三c通过无源器件二Z2连接；无源器件一Z1和无源器件二Z2可采用电感或者电阻，通过选择无源器件一Z1和无源器件二Z2的电感值或者电阻值，优化二b和节点三c的阻抗；提升整体电路功率增益，降低整体电路噪声系数。
所述输出级一3和输出级二4的输入端分别连接节点二b和节点三c；
所述输出级一3包括晶体管二Q2和负载谐振网络二L3、C2、C3；所述晶体管二Q2用于将节点一a的射频信号在射频输出端口一RF2的频段范围内进行放大后输出；所述负载谐振网络二L3、C2、C3在射频输出端口一RF2的频段具有良好的阻抗匹配，以在射频输出端口一RF2的频段范围内实现增益最大化，同时降低在射频输出端口二RF3的频段的增益，起到额外的频率选择特性；
所述输出级二4包括晶体管三Q3和负载谐振网络三L4、C4、C5；所述晶体管三Q3用于将节点二b的射频信号在射频输出端口二RF3的频段范围内进行放大后输出；所述负载谐振网络三L4、C4、C5用于在射频输出端口二RF3的频段范围内实现良好的阻抗匹配，以在射频输出端口二RF3的频段范围内实现增益最大化，同时降低在射频输出端口一RF2的频段的增益，起到额外的频率选择特性。
在具体实施例中，晶体管一Q1为三极管、双极型晶体管、MOS管或场效应晶体管。
晶体管二Q2、晶体管三Q3为三极管、双极型晶体管、MOS管或场效应晶体管。
本发明的工作原理以晶体管一Q1、晶体管二Q2、晶体管三Q3为三极管进行说明：
在输入级1，在适当的电压偏置VB1条件下，电感L1、电容C1、晶体管一Q1、负反馈电感L2、偏置电阻R1构成共发射极放大器电路结构，L1、C1串联连接在射频输入端口RF1与晶体管一Q1的基极之间，构成输入阻抗匹配网络，晶体管一Q1将射频输入端口RF1端口的射频功率信号进行放大，反馈电感L2连接在晶体管一Q1发射极与地之间，偏置电阻R1将交流信号与直流偏置电压VB1隔离,为晶体管一Q1提供直流工作点。通过选择合适的L1、L2电感值、C1电容值、Q1的发射极面积，可实现RF1射频输入端口宽频带50欧姆阻抗匹配、提供足够高的功率增益。
在输出级一3，在适当的电压偏置VB2条件下，晶体管二Q2、电感L3、电容C2、C3构成共基极放大器电路结构，电感L3、电容C2、C3为晶体管Q2的负载谐振网络，通过选择合适的L3、C2、C3值可在射频输出端口一RF2的频段内实现良好的阻抗匹配，在射频输出端口一RF2的频段范围内实现增益最大化，同时对降低射频输出端口二RF3的频段的增益，起到频率选择特性。
在输出级二4，在适当的电压偏置VB3条件下，晶体管三Q3、电感L4、电容C4、C5构成共基极放大器电路结构，电感L4、C4、C5为晶体管三Q3的负载谐振网络，通过选择合适的L4、C4、C5值，可在射频输出端口二RF3的频段实现良好的阻抗匹配，在射频输出端口二RF3的频段范围内实现增益最大化，同时对降低射频输出端口一RF2的频段的增益，起到频率选择特性。
在具体实施例中，RF1端口频率范围设计为1.22GHz～1.55GHz，RF2端口频段即频段一设计为1.22GHz，RF3端口频段即频段二设计为1.55GHz。参见图2的功率增益仿真效果图可以看出，RF2端口在1.22GHz频段的功率增益为22.9dB,RF3端口在1.55GHz频段的功率增益为22.5dB，具有优异的功率增益特性。图3为采用本发明专利具有功率分配功能的低噪声放大器得到的噪声系数仿真效果图，从图3可以看出，在1.22GHz频段的噪声系数为0.71dB,在1.55GHz频段的噪声系数为0.73dB，具有优异的噪声系数特性。图4为采用本发明专利具有功率分配功能的低噪声放大器得到的输出端口RF2和RF3的反射系数仿真效果图，从图4可以看到RF2端口在1.22GHz频段的反射系数为-21dB，RF3端口在1.55GHz频段的反射系数为-18dB，具有优异的端口反射系数特性，实现了很好的输出阻抗匹配。
本发明可广泛应用于卫星导航、无线通信等领域射频接收链路中低噪声放大器和功率分配器，特别是涉及多频段信号并行接收链路中的低噪声放大器和功率分配器电路。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种具有功率分配功能的低噪声放大器，该低噪声放大器具有一个射频输入端口（RF1）和两个射频输出端口（RF2、RF3），其特征在于：所述低噪声放大器按照射频信号链路传输路径顺序设置输入级（1）、中间级（2）和输出级，输出级包括输出级一（3）和输出级二（4）；
所述输入级（1）用于实现射频输入端口（RF1）宽频带50欧姆阻抗匹配、并提供足够高的功率增益；所述输入级（1）包括输入阻抗匹配网络（L1、C1）、负反馈电感（L2）、晶体管一（Q1）和偏置电阻（R1）组成；所述输入阻抗匹配网络（L1、C1）和负反馈电感（L2）用于实现射频输入端口（RF1）的宽频带50欧姆阻抗匹配；所述晶体管一（Q1）用于将射频输入端口（RF1）的射频功率信号进行放大，输出到节点一（a）；偏置电阻（R1）用于将交流信号与直流偏置电压隔离，为晶体管一（Q1）提供直流工作电压；
所述中间级（2）由无源器件一（Z1）和无源器件二（Z2）组成；所述中间级（2）将输入级（1）输出的射频信号从节点一（a）分配到节点二（b）和节点三（c），节点一（a）与节点二（b）通过无源器件一（Z1）连接，节点一（a）与节点三（c）通过无源器件二（Z2）连接；无源器件一（Z1）和无源器件二（Z2）采用电感或者电阻，通过选择无源器件一（Z1）和无源器件二（Z2）的电感值或者电阻值，优化节点二（b）和节点三（c）的阻抗，以提升整体电路功率增益，降低整体电路噪声系数；
所述输出级一（3）和输出级二（4）的输入端分别连接节点二（b）和节点三（c）；
所述输出级一（3）包括晶体管二（Q2）和负载谐振网络二（L3、 C2、C3）；所述晶体管二（Q2）用于将节点一（a）的射频信号在射频输出端口一（RF2）的频段范围内进行放大后输出；所述负载谐振网络二（L3、 C2、C3）在射频输出端口一（RF2）的频段具有良好的阻抗匹配，以在射频输出端口一（RF2）的频段范围内实现增益最大化，同时降低在射频输出端口二（RF3）的频段的增益，起到额外的频率选择特性；
所述输出级二（4）包括晶体管三（Q3）和负载谐振网络三（L4、 C4、C5）；所述晶体管三（Q3）用于将节点二（b）的射频信号在射频输出端口二（RF3）的频段范围内进行放大后输出；所述负载谐振网络三（L4、 C4、C5）用于在射频输出端口二（RF3）的频段范围内实现良好的阻抗匹配，以在射频输出端口二（RF3）的频段范围内实现增益最大化，同时降低在射频输出端口一（RF2）的频段的增益，起到额外的频率选择特性。
2.根据权利要求1所述的一种具有功率分配功能的低噪声放大器，其特征在于：晶体管一（Q1）为三极管、双极型晶体管、MOS管或场效应晶体管。
3.根据权利要求1所述的一种具有功率分配功能的低噪声放大器，其特征在于：晶体管二（Q2）、晶体管三（Q3）为三极管、双极型晶体管、MOS管或场效应晶体管。
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高集成度低功耗多频段GNSS射频芯片;李家祎;《第三届中国卫星导航学术年会电子文集——S07北斗/GNSS用户终端技术》;20120419;231-234 *

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