CN113904630A

CN113904630A - 一种超宽带低噪声放大电路

Info

Publication number: CN113904630A
Application number: CN202111177326.8A
Authority: CN
Inventors: 叶珍; 刘莹; 王测天; 廖学介; 滑育楠; 邬海峰; 吕继平; 童伟
Original assignee: Chengdu Ganide Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Ganide Technology Co ltd
Priority date: 2021-10-09
Filing date: 2021-10-09
Publication date: 2022-01-07

Abstract

本发明公开了一种超宽带低噪声放大电路，包括依次连接的输入匹配网络、共源共栅及负反馈网络、改进型行波网络以及输出匹配网络；改进型行波网络包括四路晶体管，每路晶体管的栅压端均通过一个电阻连接一个微带线，每路晶体管的输出端均通过一个微带线与一个电感连接。本发明的放大电路栅压可控，电路将共源共栅结构、负反馈结构以及改进型行波网络相结合，可以极大扩展放大电路的带宽，并在全频带内拥有较好的驻波和较平坦的增益。另外，在末级级联改进型行波网络，在保证电路具有较高增益的同时，可以很好地实现电路较高的输出功率和较好的效率，同时可以有效抑制电路不稳定现象。

Description

一种超宽带低噪声放大电路

技术领域

本发明属于放大电路设计技术领域，具体涉及一种超宽带低噪声放大电路。

背景技术

现代通讯系统对于带宽、信息容量的要求与日俱增，超宽带无线通讯技术的出现能够很好地解决上述问题。而低噪声放大器电路作为超宽带接收机的前级电路，其性能关系着整体的带宽、噪声系数、灵敏度，线性度等关键性指标。但是，在多倍频程内想要设计一款兼具平坦增益、超低噪声和一定输出功率和效率的放大器是一项具有挑战性的工作。目前的超宽带低噪声放大器在保证低噪的同时，很难兼顾较大功率的输出；更重要的是，放大器在超宽频带内想要实现高增益，需要较好的手段抑制不稳定现象。

而且，通信系统中常常需要控制增益大小来实现接收信号动态范围的扩展。信号的衰减和反射现象的存在造成了接收器前端信号功率的变化，当放大器作为射频系统的接收电路应具备接受处理大动态范围射频信号的能力。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的超宽带低噪声放大电路解决了放大器在多倍频程内低噪声实现难度大、增益不够高、增益波动不理想以及电路易不稳定的问题，提供了一种在超宽带内兼顾低噪声和较高输出功率及效率的放大电路。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种超宽带低噪声放大电路，包括依次连接的输入匹配网络、共源共栅及负反馈网络、改进型行波网络以及输出匹配网络；

所述改进型行波网络包括四路晶体管，每路所述晶体管的栅压端均通过一个电阻连接一个微带线，每路所述晶体管的输出端均通过一个微带线与一个电感连接；

所述输入匹配网络的输入端作为所述超宽带低噪声放大电路的输入端，所述输出匹配网络的输出端作为所述超宽带低噪声放大电路的输出端。

进一步地，所述输入匹配网络包括电容C1；

所述电容C1的一端作为所述输入匹配网络的输入端，所述电容C1的另一端分别与接地电容C2和电感L1的一端连接，所述电感L1的另一端作为所述输入匹配网络的输出端。

进一步地，所述共源共栅及负反馈网络包括晶体管M1和晶体管M2；

所述晶体管M1的栅极作为所述共源共栅及负反馈网络的输入端，并分别与电阻R8的一端和电阻R1的一端连接，所述电阻R1的另一端通过微带线TL1分别与栅压VG1和电阻R2的一端连接，所述电阻R2的另一端与接地电容C3连接，所述电阻R8的另一端与电容C8的一端连接，所述电容C8的另一端通过微带线TL5分别与电感L5的一端和晶体管M2的漏极连接，所述晶体管M1的源极接地，所述晶体管M1的漏极与所述晶体管M2的源极连接，所述晶体管M2的栅极分别与电感L2的一端和电阻R3的一端连接，所述电感L2的另一端依次与电阻R7和接地电容C5连接，所述电阻R3的另一端与微带线TL2的一端连接，所述微带线TL2的另一端分别与接地电阻R4和电阻R5的一端连接，所述电阻R5的另一端分别与微带线TL4的一端和微带线TL3的一端连接，所述微带线TL3的另一端分别与电源VD1和电阻R6的一端连接，所述电阻R6的另一端与接地电容C4连接，所述微带线TL4的另一端分别与接地电容C6和电感L3的一端连接，所述电感L3的另一端分别与接地电容C7和电感L4的一端连接，所述电感L4的另一端分别与所述电感L5的另一端和电容C9的一端连接，所述电容C9的另一端作为所述共源共栅极负反馈网络的输出端。

进一步地，所述改进型行波网络包括晶体管M3～M6；

所述晶体管M3的栅极分别与电容C11的一端和电阻R11的一端连接，所述电容C11的另一端分别与电感L6的一端和微带线TL7的一端连接，所述微带线TL7的另一端与微带线TL6的一端连接，所述微带线TL6的另一端作为所述改进型行波网络的输入端，所述电阻R11的另一端分别与电阻R9的一端和微带线TL9的一端连接，所述电阻R9的另一端与微带线TL8的一端连接，所述微带线TL8的另一端分别与栅压VG2和电阻R10的一端连接，所述电阻R10的另一端与接地电容C10连接，所述晶体管M3的源极接地，所述晶体管M3的漏极与微带线TL12的一端连接，所述微带线TL12的另一端分别与电感L9的一端和电感L12的一端连接，所述电感L12的另一端分别与电阻R18的一端和电源VD2连接，所述电阻R18的另一端与接地电容C17连接；

所述晶体管M4的栅极分别与电容C12的一端和电阻R12的一端连接，所述电容C12的另一端分别与电感L6的另一端、电感L7的一端和电阻R15的一端连接，所述电阻R12的另一端分别与微带线TL9的另一端和微带线TL10的一端连接，所述晶体管M4的源极接地，所述晶体管M4的漏极与微带线TL13的一端连接，所述微带线TL13的另一端分别与电感L9的另一端和电感L10的一端连接；

所述晶体管M5的栅极分别与电容C13的一端和电阻R13的一端连接，所述电容C13的另一端分别与电感L7的另一端、电阻R15的另一端和电感L8的一端连接，所述电阻R13的另一端分别与微带线TL10的另一端和微带线TL11的一端连接，所述晶体管M5的源极接地，所述晶体管M5的漏极与微带线TL14的一端连接，所述微带线TL14的另一端分别与电感L10的另一端和电感L11的一端连接；

所述晶体管M6的栅极分别与电容C14的一端和电阻R14的一端连接，所述电容C14的另一端分别与电感L8的另一端和电阻R16的一端连接，所述电阻R16的另一端与接地电容C15连接，所述电阻R14的另一端与微带线TL11的另一端连接，所述晶体管M6的源极接地，所述晶体管M6的漏极与微带线TL15的一端连接，所述微带线TL15的另一端与电感L11的另一端连接，并作为所述改进型行波网络的输出端。

进一步地，所述输出匹配网络包括电感L13；

所述电感L13的一端作为输出匹配网络的输入端，所述电感L13的另一端与电容C18连接，所述电容C18的另一端与接地电容C19连接，并作为所述输出匹配网络的输出端。

进一步地，所述晶体管M1为放大晶体管，所述晶体管M2为共源共栅晶体管；

所述晶体管M1和晶体管M2的大小不同。

进一步地，所述栅压VG1和栅压VG2可控。

进一步地，所述晶体管M3～M6的大小相同。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的放大电路将共源共栅结构、负反馈结构以及改进型行波网络相结合，可以极大扩展放大电路的带宽，在Ku波段以下可以实现几个倍频程，在K和Ka波段也可以实现两个倍频程；并且在全频带内实现较好的驻波。

(2)本发明的放大电路在前级采用共源共栅结合负反馈结构，可以在超宽频带内实现超低噪声，同时能够具有较平坦的增益。

(3)本发明中的放大电路在末级采用改进型行波网络，在保证电路具有较高增益的同时，可以很好地实现电路较高输出功率和较好效率，同时改进型行波网络可以有效抑制电路不稳定现象。

(4)本电路通过栅压(VG1、VG2)可控来改变晶体管的栅电压，从而当接收信号改变时可以实现改变电路增益，进而达到稳定输出电平的目的；进而当放大器作为射频系统的接收电路时，使其具备了接受处理大动态范围射频信号的能力。

附图说明

图1为本发明提供的超宽带低噪声放大电路原理图。

图2为本发明提供的超宽带低噪声放大电路增益测试曲线示意图。

图3为本发明提供的超宽带低噪声放大电路的输入回波损耗测试曲线示意图。

图4为本发明提供的超宽带低噪声放大电路的输出回波损耗测试曲线示意图。

图5为本发明提供的超宽带低噪声放大电路的噪声测试曲线示意图。

图6为本发明提供的超宽带低噪声放大电路的输出功率测试曲线示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1：

如图1所示，一种超宽带低噪声放大电路，包括依次连接的输入匹配网络、共源共栅及负反馈网络、改进型行波网络以及输出匹配网络；

改进型行波网络包括四路晶体管，每路晶体管的栅压端均通过一个电阻连接一个微带线，每路晶体管的输出端均通过一个微带线与一个电感连接；

输入匹配网络的输入端作为超宽带低噪声放大电路的输入端，输出匹配网络的输出端作为超宽带低噪声放大电路的输出端。

在本实施例中，上述四路晶体管大小相同，每路晶体管栅极射频输入和直流馈电完全分开，每一路晶体管栅极前的射频通路均加入一个电容，直流通路均通过一个电路连接一个微带线再接栅压，每路晶体管的输出端均通过一个大小不同的微带线与一个大小不同的电感连接，实现非均匀时匹配。

在本实施例中，放大电路通过栅压(VG1和VG2)可控来改变晶体管的栅电压，从而当电路接收信号改变时可以实现改变电路增益，进而达到稳定输出电平的目的。

在本实施例中，图1中的输入匹配网络包括电容C1；电容C1的一端作为输入匹配网络的输入端，电容C2的另一端分别与接地电容C2和电感L1的一端连接，电感L1的另一端作为输入匹配网络的输出端。

在本实施例中，图1中的共源共栅及负反馈网络包括晶体管M1和晶体管M2；晶体管M1的栅极作为共源共栅及负反馈网络的输入端，并分别与电阻R8的一端和电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端通过微带线TL1分别与栅压VG1和电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与接地电容C3连接，电阻R8的另一端与电容C8的一端连接，电容C8的另一端通过微带线TL5分别与电感L5的一端和晶体管M2的漏极连接，晶体管M1的源极接地，晶体管M1的漏极与晶体管M2的源极连接，晶体管M2的栅极分别与电感L2的一端和电阻R3的一端连接，电感L2的另一端依次与电阻R7和接地电容C5连接，电阻R3的另一端与微带线TL2的一端连接，微带线TL2的另一端分别与接地电阻R4和电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端分别与微带线TL4的一端和微带线TL3的一端连接，微带线TL3的另一端分别与电源VD1和电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与接地电容C4连接，微带线TL4的另一端分别与接地电容C6和电感L3的一端连接，电感L3的另一端分别与接地电容C7和电感L4的一端连接，电感L4的另一端分别与电感L5的另一端和电容C9的一端连接，电容C9的另一端作为共源共栅极负反馈网络的输出端。

在上述共源共栅及负反馈网络中，晶体管M1的放大晶体管，晶体管M2为共源共栅晶体管；该网络中的共源共栅结构能够在较宽的频率范围内实现更高的增益和更高的反向隔离度；同时共源共栅结构可以实现较好的噪声匹配，从而使放大电路具有较低的噪声，传统的电路中晶体管M1和M2的尺寸相同，本实施例中，为了更好地实现噪声匹配，M1和M2的大小不同；在M2的漏极支路上加入两个LC网络(即L3和C6、L4和C7)，有效地提高了晶体管的输出匹配，拓宽了带宽；同时在晶体管M2的栅极射频到地支路中引入一定大小的电感L2，可以有效提高电路的增益平坦度，加入电阻R7抑制了网络的不稳定。另外，上述网络中引入的负反馈结构，可以进一步拓宽带宽，晶体管M2的输出通过反馈环路连接M1的栅极，反馈环路将部分晶体管漏极输出信号耦合到栅极从而使低频端增益减小，扩展了工作带宽，反馈电阻R8和隔值电容C8参数决定了带内增益平坦度，上述负反馈结构可以简化端口匹配电路结构，降低电路输入端的匹配灵敏度，使得在电路设计上可以兼顾端口驻波和噪声系数，同时提高电路稳定性。

在本实施例中，图1中的改进型行波网络包括晶体管M3～M6；

晶体管M3的栅极分别与电容C11的一端和电阻R11的一端连接，所述电容C11的另一端分别与电感L6的一端和微带线TL7的一端连接，微带线TL7的另一端与微带线TL6的一端连接，微带线TL6的另一端作为改进型行波网络的输入端，电阻R11的另一端分别与电阻R9的一端和微带线TL9的一端连接，电阻R9的另一端与微带线TL8的一端连接，微带线TL8的另一端分别与栅压VG2和电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与接地电容C10连接，晶体管M3的源极接地，晶体管M3的漏极与微带线TL12的一端连接，微带线TL12的另一端分别与电感L9的一端和电感L12的一端连接，电感L12的另一端分别与电阻R18的一端和电源VD2连接，电阻R18的另一端与接地电容C17连接；

晶体管M4的栅极分别与电容C12的一端和电阻R12的一端连接，电容C12的另一端分别与电感L6的另一端、电感L7的一端和电阻R15的一端连接，电阻R12的另一端分别与微带线TL9的另一端和微带线TL10的一端连接，晶体管M4的源极接地，晶体管M4的漏极与微带线TL13的一端连接，微带线TL13的另一端分别与电感L9的另一端和电感L10的一端连接；

晶体管M5的栅极分别与电容C13的一端和电阻R13的一端连接，电容C13的另一端分别与电感L7的另一端、电阻R15的另一端和电感L8的一端连接，电阻R13的另一端分别与微带线TL10的另一端和微带线TL11的一端连接，晶体管M5的源极接地，晶体管M5的漏极与微带线TL14的一端连接，微带线TL14的另一端分别与电感L10的另一端和电感L11的一端连接；

晶体管M6的栅极分别与电容C14的一端和电阻R14的一端连接，电容C14的另一端分别与电感L8的另一端和电阻R16的一端连接，电阻R16的另一端与接地电容C15连接，电阻R14的另一端与微带线TL11的另一端连接，晶体管M6的源极接地，晶体管M6的漏极与微带线TL15的一端连接，微带线TL15的另一端与电感L11的另一端连接，并作为改进型行波网络的输出端。

本实施例中的改进型行波网络不仅具有传统行波结构增益平坦、频带极宽、驻波比小的特点，还具有输出效率高以及稳定性好的特性，本实施例中改进型行波网络每路晶体管输入的射频通路和直流馈电完全分开，每一级晶体管栅极前的射频通路均加入一个电容(C11～C14)，直流通路均通过一个电阻(R11～R14)和微带线(TL9～TL11)连接后与栅压端连接，有效提高了晶体管的输入匹配和输出效率；同时，本实施例中的行波网络去除传统的行波电路中的RC到地支路，而是共用了输出匹配网络中的电容(C19)到地，进一步提高了电路输出效率；在图1中，每一路晶体管的输入端通过电感(L6～L8)相连，然后在对应晶体管的输出端加入一端微带线(TL12～TL15)用于相位延时，然后再将每一路通过电感相连(L9～L11)输出，实现非均匀式匹配，这样可以将输出效率最大化；进一步地，在晶体管M4和M5之间引入电阻R15，该电阻可以实现对电路自激不稳定信号进行抑制，有效地提高了电路稳定性。

在本实施例中，图1中的输出匹配网络包括电感L13；电感L13的一端作为输出匹配网络的输入端，电感L13的另一端与电容C18连接，电容C18的另一端与接地电容C19连接，并作为输出匹配网络的输出端。本实施例中采用LC输出匹配网络，同时其参与到行波网络中的输出射频到地，摒弃了传统行波电路中的RC到地支路，可以有效提高电路的输出效率。

在本实施例中，放大电路将共源共栅、负反馈结构以及改进型行波网络相结合可以极大拓展带宽，在Ku波段以下可以实现几个倍频程，在K和Ka波段也可以实现两个倍频程，并在全频带内拥有较好的驻波和较平坦的增益。另外，在末级级联改进型行波网络，在保证电路具有较高增益的同时，可以很好地实现电路较高的输出功率和较好的效率，且改进型行波网络可以有效抑制电路不稳定现象。本电路通过栅压(VG1、VG2)可控来改变晶体管的栅电压，从而当接收信号改变时可以实现改变电路增益，进而达到稳定输出电平的目的。

实施例2：

如图2～6所示，本实施例中提供了上述放大电路的在频段为2～18GHz下的增益、回波损耗、噪声以及输出功率测试曲线实例；

其中，VD1＝VD2＝4V，栅压VG可变，VG1＝VG2＝-0.45V～-0.6V，Step＝0.05V，且全频段无杂散无自激，从图中可以看出放大器工作在超宽频带2～18GHz，全频段输入回波损耗小于-13，输出回波损耗小于-15；其增益在VG＝-0.45时具有典型值24dB，且具有增益可变特性；全频带增益波动小于±1dB，且在4～16GHz小于±0.2dB；噪声典型值1.5dB；输出P1典型值17.5dBm。

Claims

1.一种超宽带低噪声放大电路，其特征在于，包括依次连接的输入匹配网络、共源共栅及负反馈网络、改进型行波网络以及输出匹配网络；

2.根据权利要求1所述的超宽带低噪声放大电路，其特征在于，所述输入匹配网络包括电容C1；

3.根据权利要求1所述的超宽带低噪声放大电路，其特征在于，所述共源共栅及负反馈网络包括晶体管M1和晶体管M2；

4.根据权利要求3所述的超宽带低噪声放大电路，其特征在于，所述改进型行波网络包括晶体管M3～M6；

5.根据权利要求1所述的超宽带低噪声放大电路，其特征在于，所述输出匹配网络包括电感L13；

6.根据权利要求2所述的超宽带低噪声放大电路，其特征在于，所述晶体管M1为放大晶体管，所述晶体管M2为共源共栅晶体管；

所述晶体管M1和晶体管M2的大小不同。

7.根据权利要求4所述的超宽带低噪声放大电路，其特征在于，所述栅压VG1和栅压VG2可控。

8.根据权利要求4所述的超宽带低噪声放大电路，其特征在于，所述晶体管M3～M6的大小相同。