CN115001409A - 一种双射频输入单射频输出的低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双射频输入单射频输出的低噪声放大器，解决现有技术双频有源天线中两个频段信号需要通过合路器合并，存在成本高、体积大、有插入损耗、增加整体电路复杂度的问题。低噪声放大器包括放大级电路、输出级电路和输出谐振网络，放大级电路包括两路信号放大支路，两路信号放大支路输入端分别形成第一射频输入端口和第二射频输入端口，输出级电路包括两路信号输出支路，两路信号分别与两路信号放大支路连接，两路信号输出支路输出端合并为一路后连接至输出谐振网络，输出谐振网络输出端形成射频输出端口。本发明节省了传统方案中的合路器，降低了电路复杂性，减小了接收机面积，降低了成本，有利于提高接收机的集成度。

Description

一种双射频输入单射频输出的低噪声放大器

技术领域

本发明涉及射频通信技术领域，尤其是涉及一种双射频输入单射频输出的低噪声放大器。

背景技术

随着航天、空间卫星和通信的迅速发展，全球导航卫星系统(GNSS, GlobalNavigation Satellite System)在军用和民用领域得到了快速的发展，成为国家经济发展和民众生活中不可或缺的重要部分。随着技术的不断发展，对导航接收机的要求也是不断提高，提高定位和授时精度，降低接收机功耗，增加一些辅助功能等，近年来成为当前卫星导航领域研究的热点内容。目前GNSS主要包括美国的GPS(Global Position System)、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo和中国的北斗BDS(或称COMPASS)。

GPS为军用和民用安排了不同的频段，主要包括L1/L2/L5三个频段，对应的载波频率为1575.42 MHz /1227.6 MHz /1176.45 MHz；GLONASS的对应两个载波频段L1和L2，频率分别为1602 MHz和1246 MHz，分别用于发射标准精度和高精度信号；Galileo与GPS系统一样，采用码分多址技术，信号主要包括三个频段E5a-E5b、E6和E2-L1-E1，对应的频率分别为1164 MHz-1214 MHz、1278.75 MHz以及1575.42 MHz；目前北斗系统可覆盖亚太地区并提供服务，后续将逐步实现全球范围的覆盖，BDS主要包括3个频段B1、B2和B3，分别为1559.052MHz- 1591.788 MHz、1166.22 MHz - 1217.37 MHz以及1250.618 MHz - 1286.423 MHz。如上所述，GNSS的有效信号频段主要集中在1164 MHz - 1286.423 MHz以及1559.052 MHz –1602 MHz这两个频段内。现在的高精度GNSS接收机需要同时接收这两个频段内的信号，然后在SOC芯片中进行并行处理。

在GNSS高精度双频有源天线中，只有一个特征阻抗为50Ω的射频输出端口。天线中的陶瓷介质可以同时接收GNSS两个频段的信号，分别对应GPS L1、BDS B1等高频段信号以及GPS L2/L5、BDS B2/B3等低频段信号，然后分别经过窄带低噪声放大器和带通滤波器的预处理后，两路射频信号经过合路器合并以后再通过有源天线唯一的射频输出端口输出GNSS所有信号。同样地，对于传统接收机射频前端只有一个射频输入端口的SOC芯片的应用中，也需要将GNSS两个频段的信号经过合路器合并以后才可以进入SOC芯片中进行下一步的信号处理。

将GNSS两个频段的信号合并成一路射频信号的应用方案，图1所示，由陶瓷介质天线接收到的GNSS两个频段的射频信号分别经过第一电路模块和第二电路模块的处理以后，经过各自对应频段的第一窄带低噪声放大器和第二窄带低噪声放大器进一步放大，再经过合路器合并成一路射频信号后，输出到下一级电路进一步处理。显然，将两路射频信号合并成一路射频信号必须使用合路器，这合路器的三个射频端口的特征阻抗都是50Ω，这样才能满足在射频链路上的阻抗是匹配的，保证信号可以正常传输。这个合路器的加入需要增加GNSS双频接收机的成本，这个合路器的成本一般非常高，可能超过接收机中除SOC芯片以外所有器件的总和，而且合路器本身的封装尺寸较大，需要增加GNSS双频接收机的面积。合路器属于无源器件，有插入损耗，会增加后级电路到前级电路的等效噪声系数，会需要增加GNSS双频接收机的整体复杂度。同时为了进一步抑制后级电路的噪声系数，在合路器之前会增加两个频段对应的第一窄带低噪声放大器和第二窄带低噪声放大器，这两个低噪声放大器的增加会进一步增加解决方案的成本和复杂度。

发明内容

本发明主要是解决现有技术双频有源天线中两个频段信号需要通过合路器合并，存在成本高、体积大、有插入损耗、增加整体电路复杂度的问题，提供了一种双射频输入单射频输出的低噪声放大器。将接收到的两路射频信号经过两个射频输入端口进入芯片内部，在芯片内部将信号合并以后，再将信号通过一个射频端口输出。该低噪声放大器的两个射频输入端口可以分别优化设计对应频段的特征阻抗，在各自的频段内满足50Ω的阻抗匹配，使接收到的信号可以正常传输，进而达到节省传统方案中合路器的目的。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种双射频输入单射频输出的低噪声放大器，包括放大级电路、输出级电路和输出谐振网络，放大级电路包括两路信号放大支路，两路信号放大支路输入端分别形成第一射频输入端口和第二射频输入端口，输出级电路包括两路信号输出支路，两路信号输出支路输入端分别与两路信号放大支路输出端连接，两路信号输出支路输出端合并为一路后连接至输出谐振网络，输出谐振网络输出端形成射频输出端口。本发明低噪声放大器有两个射频输入端口和一个射频输出端口，可以将两路射频信号合并成一路射频信号并可以高效传输，从而节省了传统方案中的合路器，在不恶化原有性能的前提下，降低了电路复杂性，减小了接收机面积，降低了成本，有利于提高接收机的集成度，提高了GNSS双频接收机整体竞争力。放大级电路采用传统的射极电感负反馈电路结构，两路信号放大支路电路结构完全一样，根据各自对应的工作频段做一些参数性能优化。输出级电路相应的信号输出支路进一步信号放大，然后通过晶体管将信号合并成一路传输至输出谐振网络，输出谐振网络对信号进行选频，放大带内的信号而抑制带外的信号，最后再将信号输出到下一级电路中处理。

作为一种优选方案，所述放大级电路包括电感L1、电感L2、晶体管Q1、晶体管Q2、电阻R3、电阻R4，电感L1、晶体管Q1、电阻R3组成第一信号放大支路，电感L2、晶体管Q2、电阻R4组成第二信号放大支路，晶体管Q1基极连接第一射频输入端口，晶体管Q1发射极串联电感L1后接地，晶体管Q1集电极连接电阻R3一端，电阻R3另一端连接电源VDD，晶体管Q2基极连接第二射频输入端口，晶体管Q2发射极串联电感L2后接地，晶体管Q2集电极连接电阻R4一端，电阻R4另一端连接电源VDD。本方案中晶体管Q1集电极与电阻R3相连点为第一信号放大支路输出端，晶体管Q2集电极与电阻R4相连点为第二信号放大支路输出端。电感L1和电感L2为射极电感，主要是提供各自射频输入端口的输入阻抗实部，需要满足低噪声放大器在工作频段内的阻抗为50Ω，但同时又会影响放大器的功率增益，需要折中设计取一个合适的电感值。低噪声放大器的晶体管Q1和晶体管Q2是低噪声放大器中最重要的晶体管，它的尺寸决定了整个放大器的噪声系数，阻抗匹配等重要性能，晶体管尺寸需要认真考虑，基极寄生电容以及基极电阻对噪声系数和输入阻抗的匹配都有非常大的影响。电阻R3和电阻R4采用线性负载电阻，由于电阻本身的热噪声以及压降问题，也可以采用LC谐振网络作为负载。特别地，本方案中放大级电路只有一个晶体管作为放大管，如果设计需要，为了进一步提高功率增益和反向隔离度，可以采用两个晶体管堆叠的cascode结构。

作为一种优选方案，所述输出级电路包括电容C1、电容C2、晶体管Q3、晶体管Q4、晶体管Q5，电容C1和晶体管Q3组成第一信号输出支路，电容C2和晶体管Q4组成第二信号输出支路，电容C1一端连接至第一信号放大支路输出端，电容C1另一端连接晶体管Q3基极，晶体管Q3发射极接地，晶体管Q3集电极连接晶体管Q5发射极，电容C2一端连接至第二信号放大支路输出端，电容C2另一端连接晶体管Q4基极，晶体管Q4发射极接地，晶体管Q4集电极连接晶体管Q5发射极，晶体管Q5基极连接偏置电路，晶体管Q5集电极作为输出级电路输出端连接输出谐振网络输入端。由两个射频输入端口进入的GNSS信号经过第一级放大后，经过两个信号放大支路输出端分别直接连接输出级电路两个信号输出支路的晶体管的基极，进入各自的支路进一步信号放大，然后信号在晶体管Q5的发射极合并，晶体管Q5作为共基极放大器晶体管将两路信号通过一路通道传输到输出谐振网络中。

作为一种优选方案，所述输出谐振网络包括电阻R7、电感L3、电容C3、电容C4，电阻R7、电感L3、电容C3相并联，并联后电路一端与输出级电路输出端连接，并联后电路另一端连接电源VDD，电容C4一端连接并联后电路一端，电容C4另一端连接射频输出端口。本方案输出谐振网络对信号进行选频，放大带内的信号而抑制带外的信号，最后再将信号输出到下一级电路中处理。输出谐振网络的工作带宽需要覆盖GNSS信号的两个频段，工作带宽将超过400MHz，因此需要增加合适的电阻R7进行扩频，降低谐振网络的品质因子，但又不能使功率增益下降太多。

作为一种优选方案，晶体管Q1的基极通过连接电阻R1后连接第一偏置电路，晶体管Q2的基极通过连接电阻R2后连接第二偏置电路，晶体管Q3的基极通过连接电阻R5后连接第三偏置电路，晶体管Q4的基极通过连接电阻R6后连接第四偏置电路。本方案中晶体管Q1、晶体管Q2、晶体管Q3、晶体管Q4都需要有合适的偏置电压，偏置电压产生电路可以在片内实现，也可以通过片外实现，为了隔离偏置电压产生电路的噪声对核心放大电路的影响，需要使用合适阻值的电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4隔离两部分电路，由于晶体管的基极上有电流流过，电阻上会有一定的压降，需要优化设计电阻的取值问题，阻值太大，电阻压降太大了，阻值太小，噪声隔离效果不好。同时，由于第二级电路中的晶体管Q5基极没有射频信号，可以直接与对应的偏置电路相连接。

作为一种优选方案，所述第一信号放大支路和第二信号放大支路的工作频率分布对应GNSS信号两个频段。

作为一种优选方案，所述输出谐振网络的工作带宽覆盖GNSS信号的两个频段。

作为一种优选方案，晶体管Q1、晶体管Q2、晶体管Q3、晶体管Q4、晶体管Q5为HBT、MOS、或pHEMT类型。

因此，本发明的优点是：

1.有两个射频输入端口和一个射频输出端口，可以将两路射频信号合并成一路射频信号并可以高效传输，从而节省了传统方案中的合路器，在不恶化原有性能的前提下，降低了电路复杂性，减小了接收机面积，降低了成本，有利于提高接收机的集成度，提高了GNSS双频接收机整体竞争力。

2.两路射频信号直接在芯片内部合并，无需复杂的外围匹配。

3.节省了合路器，使得GNSS双频接收机的系统复杂度降低，节约了成本。

附图说明

图1是传统的频段信号合并应用方案的一种结构示意图；

图2是本发明频段信号合并应用方案的一种结构示意图；

图3是本发明的一种电路结构示意图；

图4是本发明噪声系数仿真曲线图；

图5是本发明S参数仿真曲线图。

1-放大级电路 2-输出级电路 3-输出谐振网络。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例一种双射频输入单射频输出的低噪声放大器，如图3所示，包括依次连接的放大级电路1、输出级电路2和输出谐振网络3，放大级电路包括两路信号放大支路，两路信号放大支路输入端分别形成第一射频输入端口和第二射频输入端口，输出级电路包括两路信号输出支路，两路信号输出支路输入端分别与两路信号放大支路输出端连接，两路信号输出支路输出端合并为一路后连接至输出谐振网络，输出谐振网络输出端形成射频输出端口。第一信号放大支路和第二信号放大支路的工作频率分布对应GNSS信号两个频段。低噪声放大器作为前级电路模块，不仅需要将信号进行放大，还需要抑制后级所有电路模块的噪声。因此，系统设计中对它本身的噪声系数有非常高的要求，因为它对接收机的噪声系数影响很大，进而影响了接收机的接收灵敏度；同时对低噪声放大器的功率增益也有一定的要求，低噪声放大器需要足够大的功率增益抑制后级电路模块的噪声对整个接收机系统噪声系数的影响，但是又不能有过大的功率增益以防止将干扰信号同步放大，低噪声放大器的功率增益需要折中考虑。

放大级电路包括电感L1、电感L2、晶体管Q1、晶体管Q2、电阻R3、电阻R4，电感L1、晶体管Q1、电阻R3组成第一信号放大支路，电感L2、晶体管Q2、电阻R4组成第二信号放大支路，晶体管Q1基极连接第一射频输入端口，晶体管Q1发射极串联电感L1后接地，晶体管Q1集电极连接电阻R3一端，电阻R3另一端连接电源VDD，晶体管Q2基极连接第二射频输入端口，晶体管Q2发射极串联电感L2后接地，晶体管Q2集电极连接电阻R4一端，电阻R4另一端连接电源VDD。

放大级电路为第一级电路，放大级电路包括电感L1和电感L2为射极电感，主要是提供各自射频输入端口的输入阻抗实部，需要满足低噪声放大器在工作频段内的阻抗为50Ω，但同时又会影响放大器的功率增益，需要折中设计取一个合适的电感值。低噪声放大器的晶体管Q1和晶体管Q2是低噪声放大器中最重要的晶体管，它的尺寸决定了整个放大器的噪声系数，阻抗匹配等重要性能，晶体管尺寸需要认真考虑，基极寄生电容以及基极电阻对噪声系数和输入阻抗的匹配都有非常大的影响。电阻R3和电阻R4采用线性负载电阻，由于电阻本身的热噪声以及压降问题，也可以采用LC谐振网络作为负载。特别地，本方案中放大级电路只有一个晶体管作为放大管，如果设计需要，为了进一步提高功率增益和反向隔离度，可以采用两个晶体管堆叠的cascode结构。

输出级电路为第二级电路，包括电容C1、电容C2、晶体管Q3、晶体管Q4、晶体管Q5，电容C1和晶体管Q3组成第一信号输出支路，电容C2和晶体管Q4组成第二信号输出支路，电容C1一端连接至晶体管Q1集电极，电容C1另一端连接晶体管Q3基极，晶体管Q3发射极接地，晶体管Q3集电极连接晶体管Q5发射极，电容C2一端连接至晶体管Q2集电极，电容C2另一端连接晶体管Q4基极，晶体管Q4发射极接地，晶体管Q4集电极连接晶体管Q5发射极，晶体管Q5基极连接偏置电路，晶体管Q5集电极作为输出级电路输出端连接输出谐振网络输入端。

输出谐振网络包括电阻R7、电感L3、电容C3、电容C4，电阻R7、电感L3、电容C3相并联，并联后电路一端与输出级电路输出端连接，并联后电路另一端连接电源VDD，电容C4一端连接并联后电路一端，电容C4另一端连接射频输出端口。输出谐振网络的工作带宽覆盖GNSS信号的两个频段。

输出谐振网络对信号进行选频，放大带内的信号而抑制带外的信号，最后再将信号输出到下一级电路中处理。输出谐振网络的工作带宽需要覆盖GNSS信号的两个频段，工作带宽将超过400MHz，因此需要增加合适的电阻R7进行扩频，降低谐振网络的品质因子，但又不能使功率增益下降太多。

晶体管Q1的基极通过连接电阻R1后连接第一偏置电路，晶体管Q2的基极通过连接电阻R2后连接第二偏置电路。晶体管Q3的基极通过连接电阻R5后连接第三偏置电路，晶体管Q4的基极通过连接电阻R6后连接第四偏置电路。晶体管Q1、晶体管Q2、晶体管Q3、晶体管Q4都需要有合适的偏置电压，偏置电压产生电路可以在片内实现，也可以通过片外实现，为了隔离偏置电压产生电路的噪声对核心放大电路的影响，需要使用合适阻值的电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4隔离两部分电路，由于晶体管的基极上有电流流过，电阻上会有一定的压降，需要优化设计电阻的取值问题，阻值太大，电阻压降太大了，阻值太小，噪声隔离效果不好。晶体管Q5基极没有射频信号，可以直接与对应的偏置电路相连接。晶体管Q1、晶体管Q2、晶体管Q3、晶体管Q4、晶体管Q5为HBT、MOS、或pHEMT类型。

如图2所示，采用本实施例低噪声放大器对射频信号合并的方案结构，GNSS两个频段的信号经过第一电路模块和第二电路模块处理以后分别输入到宽带低噪声放大器的两个射频输入端口，然后再经过一个射频射频输出端口输出GNSS信号，优化了GNSS接收机的方案，该宽带低噪声放大器集成了两个窄带低噪声放大器以及合路器的功能，达到同等性能的条件下，可以节省两个低噪声放大器以及合路器，达到降低接收机成本，降低接收机面积，提高接收机的系统集成度。

如图4所示，给出了本实施例低噪声放大器噪声系数仿真曲线图，其中横坐标为频率，纵坐标为噪声系数。在整个GNSS工作频段内，第一输入射频端口对应于GNSS低频段信号，第二输入射频输入端口对应于GNS是高频段信号，在各自的频段内，输入端的噪声系数均小于0.7dB，可以满足接收机应用对低噪声放大器的设计要求。

图5给出了本实施例低噪声放大器的S参数仿真曲线图，其中横坐标为频率，纵坐标为S参数。在整个GNSS频段内，第一输入射频端口对应于GNSS低频段信号，第二输入射频输入端口对应于GNS是高频段信号，低噪声放大器的输入回损S11在各自对应的工作频段内均小于-10dB，满足设计和应用要求。同时，功率增益S21曲线在GNSS两个频段内各自呈现出一定窄带特性，由此可见，该电路结构可在两个频段内分别做优化设计，保证良好的射频性能。而输出回损S22呈现出宽带特性，在整个GNSS信号频段内均小于-10dB，输出谐振网络的工作带宽超过400MHz。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了放大级电路、输出级电路、输出谐振网络等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (8)

1.一种双射频输入单射频输出的低噪声放大器，其特征在于：包括放大级电路（1）、输出级电路（2）和输出谐振网络（3），放大级电路包括两路信号放大支路，两路信号放大支路输入端分别形成第一射频输入端口和第二射频输入端口，输出级电路包括两路信号输出支路，两路信号输出支路输入端分别与两路信号放大支路输出端连接，两路信号输出支路输出端合并为一路后连接至输出谐振网络，输出谐振网络输出端形成射频输出端口。

2.根据权利要求1所述的一种双射频输入单射频输出的低噪声放大器，其特征是所述放大级电路（1）包括电感L1、电感L2、晶体管Q1、晶体管Q2、电阻R3、电阻R4，电感L1、晶体管Q1、电阻R3组成第一信号放大支路，电感L2、晶体管Q2、电阻R4组成第二信号放大支路，晶体管Q1基极连接第一射频输入端口，晶体管Q1发射极串联电感L1后接地，晶体管Q1集电极连接电阻R3一端，电阻R3另一端连接电源VDD，晶体管Q2基极连接第二射频输入端口，晶体管Q2发射极串联电感L2后接地，晶体管Q2集电极连接电阻R4一端，电阻R4另一端连接电源VDD。

3.根据权利要求2所述的一种双射频输入单射频输出的低噪声放大器，其特征是所述输出级电路（2）包括电容C1、电容C2、晶体管Q3、晶体管Q4、晶体管Q5，电容C1和晶体管Q3组成第一信号输出支路，电容C2和晶体管Q4组成第二信号输出支路，电容C1一端连接至第一信号放大支路输出端，电容C1另一端连接晶体管Q3基极，晶体管Q3发射极接地，晶体管Q3集电极连接晶体管Q5发射极，电容C2一端连接至第二信号放大支路输出端，电容C2另一端连接晶体管Q4基极，晶体管Q4发射极接地，晶体管Q4集电极连接晶体管Q5发射极，晶体管Q5基极连接偏置电路，晶体管Q5集电极作为输出级电路输出端连接输出谐振网络输入端。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种双射频输入单射频输出的低噪声放大器，其特征是所述输出谐振网络（3）包括电阻R7、电感L3、电容C3、电容C4，电阻R7、电感L3、电容C3相并联，并联后电路一端与输出级电路输出端连接，并联后电路另一端连接电源VDD，电容C4一端连接并联后电路一端，电容C4另一端连接射频输出端口。

5.根据权利要求3所述的一种双射频输入单射频输出的低噪声放大器，其特征是晶体管Q1的基极通过连接电阻R1后连接第一偏置电路，晶体管Q2的基极通过连接电阻R2后连接第二偏置电路，晶体管Q3的基极通过连接电阻R5后连接第三偏置电路，晶体管Q4的基极通过连接电阻R6后连接第四偏置电路。

6.根据权利要求2所述的一种双射频输入单射频输出的低噪声放大器，其特征是所述第一信号放大支路和第二信号放大支路的工作频率分布对应GNSS信号两个频段。

7.根据权利要求4所述的一种双射频输入单射频输出的低噪声放大器，其特征是所述输出谐振网络的工作带宽覆盖GNSS信号的两个频段。

8.根据权利要求3所述的一种双射频输入单射频输出的低噪声放大器，其特征是晶体管Q1、晶体管Q2、晶体管Q3、晶体管Q4、晶体管Q5为HBT、MOS、或pHEMT类型。

Images