CN113949352A - 一种24-29ghz的高性能低噪声放大器 - Google Patents

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李佳瑶
罗力伟
王祁钰
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Abstract

本发明公开了一种24‑29GHZ的高性能低噪声放大器，包括依次串联的五个阻抗匹配网络，所述前四个阻抗匹配网络均连接有一个场效应管M，所述场效应管M的栅极均设有栅极偏置电路、漏极均设有漏极偏置电路、源极均连接有微带线Ls，第五级阻抗匹配网络输入端连接有漏极偏置电路，所述栅极偏置电路、漏极偏置电路的另一端分别接Vg端和Vd端，所述第一级阻抗匹配网络的输入端与外电路的输出端相连，所述第五级阻抗匹配网络的输出端与外电路的输入端相连。本发明的电路拓扑结构采用4级放大，尺寸小，并且可实现较大的增益和大功率输出。

Description

一种24-29GHZ的高性能低噪声放大器
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种24-29GHZ的高性能低噪声放大器。
背景技术
随着无线通信的发展，继硅(Si)、砷化镓(GaAs)之后，具有优良高温、高压、高频特性的氮化镓(GaN)材料被称为第三代半导体的代表，以其为材料基础的器件及电路已成为目前国际上研究的热点和重点，GaN具有材料宽间隙、电子饱和速率高、击穿场强大、耐高温、耐高压等特点，在国防军事等领域具有至关重要的意义。根据频率划分，毫米波是波长介于1mm-10mm的电磁波，由于毫米波的波长短、频带宽和它自身特殊的大气传播特性，使得Ka波段系统得到了广泛的应用。目前，Ka波段微波单片集成电路已成为当前各种高科技武器的重点发展方向，可广泛用于各种先进的战术导弹、电子战、卫星通信系统和陆海空基的先进相控阵雷达，特别是机载和星载雷达，因此研究该频段的功率放大器芯片变得尤为重要。
在雷达射频接收系统中，对系统性能指标的要求越来越高，其中低噪声放大器是影响着整个接收系统的噪声指标的重要因素。与普通的放大器相比,低噪声放大器作用比较突出，一方面可以减少系统的杂波干扰，提高系统的灵敏度；另一方面可以放大系统的射频信号，保证系统正常工作。因此，低噪声放大器的性能制约着整个接收系统的性能，对整个接收系统性能的提高起了决定性的作用。因此，研制宽频带、高性能、更低噪声的放大器，已经成为微波技术中发展的核心之一。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种24-29GHZ的高性能低噪声放大器,采用电容和微带线进行阻抗匹配实现了放大器的高增益，采用场效应管有效降低了系统的杂波干扰。
本发明采用下述的技术方案：
一种24-29GHZ的高性能低噪声放大器，包括包括依次串联的五个阻抗匹配网络，所述前四个阻抗匹配网络均连接有一个场效应管M，所述场效应管M的栅极均设有栅极偏置电路、漏极均设有漏极偏置电路、源极均连接有微带线Ls，第五级阻抗匹配网络输入端连接有漏极偏置电路，所述栅极偏置电路、漏极偏置电路的另一端分别接Vg端和Vd端，所述第一级阻抗匹配网络的输入端与外电路的输出端相连，所述第五级阻抗匹配网络的输出端与外电路的输入端相连。
其中所述微带线Ls个数为8个，两两并联后一端接在场效应管M的源极上，另一端接地。
所述前两级阻抗匹配网络结构完全相同，均包括电容C1、微带线LL1、电容C2，所述电容C1与微带线LL1串联，电容C2的一端连接在电容C1与微带线LL1之间，另一端接地。
所述第三级阻抗匹配网络包括电容C3、微带线LL2、微带线Lg、电容C4、电容C5、电阻R1、微带线LL3，所述电容C3、微带线LL2、电容C5、电阻R1、微带线LL3依次串联连接，电容C4的一端连接在电容C1与微带线LL2之间，电容C4的另一端接地。
所述第四级阻抗匹配网络包括微带线LL4、电容C6、电容C7、微带线LL5，所述微带线LL4、电容C6、微带线LL5依次串联连接，电容C7一端连接在电容C6与微带线LL5之间，另一端接地。
所述第五级阻抗匹配网络包括电容C8、微带线LL6和微带线LL7，所述电容C8与微带线LL7串联，微带线LL7的另一端与外电路的输入端连接，所述微带线LL6一点连接在电容C8与微带线LL7之间，另一端接地。
所述栅极偏置电路包括连接场效应管M栅极的微带线Lg、电阻Rg1、电容Cg1、电容Cg2、电阻Rg，所述微带线Lg与电阻Rg1串联连接，电阻Rg1的另一端连接Vg，所述电容Cg1、电阻Rg的一端均连接在微带线Lg与电阻Rg1之间，电容Cg1的另一端接地，电阻Rg的另一端设有电容Cg2，所述电容Cg2的另一端接地。
所述漏极偏置电路包括与场效应管M漏极连接的微带线Ld、电阻Rd、电容Cd2依次串联，所述电容Cd2另一端接地，所述电阻Rd与微带线Ld之间设有电容Cd1，所述电容Cd1另一端接地。
本发明的有益效果是：
1、本发明的电路拓扑结构采用4级放大，可实现较大增益和大功率输出的同时尺寸较小；整个信号通路采用电容和微带线进行阻抗匹配，实现起来比较容易；
2、本发明中的场效应管的源端采用微带线代替传统的电阻，在完成噪声和增益调节的同时完成源端到地的连接。
3、本发明通过设计优化，支持大电感的金丝作为键合线。采用特殊的偏置电路网络，在完成阻抗匹配的同时，可提供直流供电防止高频自激。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1是本发明信号通路结构示意图。
图2是本发明电路结构示意图。
图3是本发明栅极偏置电路结构示意图。
图4是本发明漏极偏置电路结构示意图。
图5是本发明第一级阻抗匹配网络结构示意图。
图6是本发明第二级阻抗匹配网络结构示意图。
图7是本发明第三级阻抗匹配网络结构示意图。
图8是本发明第四级阻抗匹配网络结构示意图。
图9是本发明第五级阻抗匹配网络结构示意图。
图10是本发明通孔结构俯视示意图。
图11是本发明通孔结构主视示意图。
图12是本发明噪声系数图。
图13是本发明增益示意图。
图14是本发明输入回波。
图15是本发明输出回波。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需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。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1至图2所示，一种24-29GHZ的高性能低噪声放大器，包括依次串联的五个阻抗匹配网络，所述前四个阻抗匹配网络均连接有一个场效应管M，所述场效应管M的栅极均设有栅极偏置电路、漏极均设有漏极偏置电路、源极均连接有微带线Ls，第五级阻抗匹配网络输入端连接有漏极偏置电路，所述栅极偏置电路、漏极偏置电路的另一端分别接Vg端和Vd端，所述第一级阻抗匹配网络的输入端与外电路的输出端相连，所述第五级阻抗匹配网络的输出端与外电路的输入端相连。同时基于Ka波段的特性，使用微带线替代电阻来完成反馈电路。每个场效应管M的反馈模式类似，但每个场效应管对噪声的影响并不相同，连接第一级阻抗匹配网络的场效应管M对噪声的影响最大，主要用于降低噪声。
所述微带线Ls个数为8个，两两并联后一端接在场效应管M的源极上，另一端接地。增大了阻抗匹配网络的放大效果。
如图5至图9所示，所述第一阻抗匹配网络、第二阻抗匹配网络、第三阻抗匹配网络、第四阻抗匹配网络和第五阻抗匹配网络，其中的微带线与微带线、微带线与电容之间构成串联或者并联连接，每一个阻抗匹配网络都具有不同的结构，通过组合微带线和电容构成的不同拓扑结构，以及调节每一级中每一节微带线的长宽和串并联电容值的大小可实现输入、输出端口和每一级放大器之间的阻抗匹配，进而保证信号通路呈现50欧姆阻抗匹配，减少能量损耗。
所述第一级阻抗匹配网络与第二级阻抗匹配网络结构完全相同，均包括电容C1、微带线LL1、电容C2，所述电容C1与微带线LL1串联，电容C2的一端连接在电容C1与微带线LL1之间，另一端接地。其中电容C1、C2和微带线LL1用来完成50欧姆阻抗到场效应管M输入阻抗匹配的功能，同时保持输入的噪声系数小以及增益高的性能。
所述第三级阻抗匹配网络包括电容C3、微带线LL2、微带线Lg、电容C4、电容C5、电阻R1、微带线LL3，所述电容C3、微带线LL2、电容C5、电阻R1、微带线LL3依次串联连接，电容C4的一端连接在电容C1与微带线LL2之间，电容C4的另一端接地。其中电容C3、C4和微带线LL2用来完成前一级场效应管M输出阻抗到这一级场效应管M输入阻抗匹配的功能，同时保持输入的噪声系数小以及增益高的性能，其中电容C5、电阻R1和微带线LL3用来调整整个放大器的增益平坦度。
所述第四级阻抗匹配网络包括微带线LL4、电容C6、电容C7、微带线LL5，所述微带线LL4、电容C6、微带线LL5依次串联连接，电容C7一端连接在电容C6与微带线LL5之间，另一端接地。其中电容C6、C7和微带线LL5用来完成前一级场效应管M输出阻抗到这一级场效应管M输入阻抗匹配的功能，同时保持输入的噪声系数小以及增益高的性能。
所述第五级阻抗匹配网络包括电容C8、微带线LL6和微带线LL7，所述电容C8与微带线LL7串联，微带线LL7的另一端与外电路的输入端连接，所述微带线LL6一点连接在电容C8与微带线LL7之间，另一端接地。微带线LL7及电容C8是完成前一级场效应管M输出阻抗与外围电路50欧姆阻抗匹配的功能，针对低噪声放大器，最佳增益阻抗点和最小噪声阻抗点不同的问题，这里采用源级反馈的形式进行调整。
所述栅极偏置电路包括连接场效应管M栅极的微带线Lg、电阻Rg1、电容Cg1、电容Cg2、电阻Rg，所述微带线Lg与电阻Rg1串联连接，电阻Rg1的另一端连接Vg，所述电容Cg1、电阻Rg的一端均连接在微带线Lg与电阻Rg1之间，电容Cg1的另一端接地，电阻Rg的另一端设有电容Cg2，所述电容Cg2的另一端接地。其中电容Cg2和串联的电阻Rg用来滤掉较低频的信号，同时保证直流电压可以稳定的输入，不受射频电路干扰；电容Cg1作为去耦电容可以防止高频的自激出现；电阻Rg1可以保证栅极稳定，控制大电流防止烧损管芯；微带线Lg可以代替并联电感，完成阻抗匹配的功能。
所述漏极偏置电路包括与场效应管M漏极连接的微带线Ld、电阻Rd、电容Cd2依次串联，所述电容Cd2另一端接地，所述电阻Rd与微带线Ld之间设有电容Cd1，所述电容Cd1另一端接地。其中电容Cd2和串联的电阻Rd用来滤掉较低频的信号，同时保证直流电压可以稳定的输入，不受射频电路干扰；电容Cd1作为去耦电容可以防止高频的自激出现；微带线Ld可以代替并联电感，完成阻抗匹配的功能。
为了保证电路与系统地良好的连接，本发明封装成芯片后，芯片使用如图10所示的地孔。该孔径正面长为100um，宽为30um，这种孔可以使芯片更好的接地，同时减少寄生的电感。
如图11所示，芯片具有6个焊盘引脚，分别包含栅极供电接口、漏极供电接口以及射频信号输入和输出接口，为确保良好的射频性能和稳定性，芯片背面上的焊盘与地之间需要进行良好连接，以保证良好的接地性。
本发明封装成芯片后，芯片测试的噪声系数如图10所示，在24GHz-29GHz工作频带内，芯片噪声系数小于1.1dB。如图12至15所示为本发明的S参数测试结果，在24GHz-29GHz工作频带内，增益大于20dB，增益在20-22.5dB之间，随着频率升高，增益先升高后降低。整个芯片的尺寸为2mm*1.5mm，可以发现该芯片相比现有的芯片具有尺寸小、噪声系数低等优势，是一款适用于Ka波段雷达通信的高性能低噪声系数的芯片。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种24-29GHZ的高性能低噪声放大器，其特征在于，包括依次串联的五个阻抗匹配网络，所述前四个阻抗匹配网络均连接有一个场效应管M，所述场效应管M的栅极均设有栅极偏置电路、漏极均设有漏极偏置电路、源极均连接有微带线Ls，第五级阻抗匹配网络输入端连接有漏极偏置电路，所述栅极偏置电路、漏极偏置电路的另一端分别接Vg端和Vd端，所述第一级阻抗匹配网络的输入端与外电路的输出端相连，所述第五级阻抗匹配网络的输出端与外电路的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种24-29GHZ的高性能低噪声放大器，其特征在于，所述微带线Ls个数为8个，两两并联后一端接在场效应管M的源极上，另一端接地。
3.根据权利要求1所述的一种24-29GHZ的高性能低噪声放大器，其特征在于，所述第一级阻抗匹配网络与第二结构阻抗匹配网络完全相同，均包括电容C1、微带线LL1、电容C2，所述电容C1与微带线LL1串联，电容C2的一端连接在电容C1与微带线LL1之间，另一端接地。
4.根据权利要求1所述的一种24-29GHZ的高性能低噪声放大器，其特征在于，所述第三级阻抗匹配网络包括电容C3、微带线LL2、微带线Lg、电容C4、电容C5、电阻R1、微带线LL3，所述电容C3、微带线LL2、电容C5、电阻R1、微带线LL3依次串联连接，电容C4的一端连接在电容C1与微带线LL2之间，电容C4的另一端接地。
5.根据权利要求1所述的一种24-29GHZ的高性能低噪声放大器，其特征在于，所述第四级阻抗匹配网络包括微带线LL4、电容C6、电容C7、微带线LL5，所述微带线LL4、电容C6、微带线LL5依次串联连接，电容C7一端连接在电容C6与微带线LL5之间，另一端接地。
6.根据权利要求1所述的一种24-29GHZ的高性能低噪声放大器，其特征在于，所述第五级阻抗匹配网络包括电容C8、微带线LL6和微带线LL7，所述电容C8与微带线LL7串联，微带线LL7的另一端与外电路的输入端连接，所述微带线LL6一点连接在电容C8与微带线LL7之间，另一端接地。
7.根据权利要求1所述的一种24-29GHZ的高性能低噪声放大器，其特征在于，所述栅极偏置电路包括连接场效应管M栅极的微带线Lg、电阻Rg1、电容Cg1、电容Cg2、电阻Rg，所述微带线Lg与电阻Rg1串联连接，电阻Rg1的另一端连接Vg，所述电容Cg1、电阻Rg的一端均连接在微带线Lg与电阻Rg1之间，电容Cg1的另一端接地，电阻Rg的另一端设有电容Cg2，所述电容Cg2的另一端接地。
8.根据权利要求1所述的一种24-29GHZ的高性能低噪声放大器，其特征在于，所述漏极偏置电路包括与场效应管M漏极连接的微带线Ld、电阻Rd、电容Cd2依次串联，所述电容Cd2另一端接地，所述电阻Rd与微带线Ld之间设有电容Cd1，所述电容Cd1另一端接地。
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