CN115276568B - 小型化滤波低噪声放大器及接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化滤波低噪声放大器及接收机，所述放大器包括依次级联的输入放大电路、第一磁电混合耦合电路和输出放大电路，所述输入放大电路连接信号输入端，所述输出放大电路连接信号输出端；所述第一磁电混合耦合电路，用于实现输入放大电路和输出放大电路的阻抗匹配，并在放大器的工作频段外产生传输零点，抑制干扰信号；第一磁电混合耦合电路包括第一电感、第二电感和第一电容；所述第一电感与第二电感相互耦合，形成磁耦合；所述第一电容串联到第一电感和第二电感之间，用于实现第一电感和第二电感之间的电耦合。本发明能在不额外增加电路面积的情况下，有效地对干扰信号进行抑制，降低电路的复杂度和整体损耗。

Description

小型化滤波低噪声放大器及接收机
技术领域
本发明涉及一种小型化滤波低噪声放大器及接收机，属于无线通信技术领域。
背景技术
滤波器是无线通信射频前端的重要器件，可以让有用信号通过，对干扰信号进行抑制。低噪声放大器可以将天线接收的有用的微弱信号进行放大，且尽量减小噪声的影响，放大之后传输给滤波器进行滤波处理。
滤波器和低噪声放大器都是无线通信系统中接收机的关键模块。镜像频率处的噪声在接收机下变频中，可能会对通信造成干扰，需要进行镜频抑制。此外，在无线通信中，其他通信频段的信号干扰也需要滤波器进行滤除。为了实现对干扰信号的抑制，传统的方案是采用级联滤波器来实现滤波响应，但级联方案集成度低，互连损耗大。尤其在毫米波频段，用芯片工艺来设计放大器，采用其他工艺独立设计的滤波器与放大器集成困难。
发明内容
本发明目的是针对上述技术问题，提供了一种小型化滤波低噪声放大器，该放大器将滤波器与低噪声放大器融合设计，在接收机中能够有效实现干扰抑制，且能够减小体积与损耗。
本发明的另一目的在于提供一种接收机。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种小型化滤波低噪声放大器，包括依次级联的输入放大电路、第一磁电混合耦合电路和输出放大电路，所述输入放大电路连接信号输入端，所述输出放大电路连接信号输出端；
所述输入放大电路，用于将信号输入端输入的信号放大，并传输给第一磁电混合耦合电路；
所述第一磁电混合耦合电路，用于实现输入放大电路和输出放大电路的阻抗匹配，并在放大器的工作频段外产生传输零点，抑制干扰信号；第一磁电混合耦合电路包括第一电感、第二电感和第一电容；所述第一电感与第二电感相互耦合，形成磁耦合；所述第一电容串联到第一电感和第二电感之间，用于实现第一电感和第二电感之间的电耦合；所述磁耦合和电耦合在放大器的工作频段外相互抵消，产生传输零点；
所述输出放大电路，用于将第一磁电混合耦合电路传递来的信号放大，并通过信号输出端进行输出。
进一步的，所述第一电感通过去耦电容连接电源为输入放大电路的第一晶体管漏极提供电压，所述第二电感为接地电感。
进一步的，所述第一磁电混合耦合电路还包括第二电容，所述第二电容的一端同时连接第一电容和第二电感，另一端连接输出放大电路的第二晶体管栅极。
进一步的，所述输入放大电路包括输入匹配电路、第一晶体管和第一源级接地电感，所述输入匹配电路包括第三电容和第三电感；
所述第一晶体管的源极连接第一源极接地电感，所述第三电感与第一源极接地电感相互耦合，所述第三电容、第三电感和第一源极接地电感共同作用，实现低噪声系数的阻抗匹配；第三电感通过去耦电容连接电源为第一晶体管的栅极提供电压。
进一步的，所述输出放大电路包括依次连接的第一放大电路、第二磁电混合耦合电路和第二放大电路；
所述第二磁电混合耦合电路，用于实现第一放大电路与第二放大电路之间的阻抗匹配；第一磁电混合耦合电路和第二磁电混合耦合电路在放大器的不同级间共同配合作用，实现所需要的带外抑制效果。
进一步的，所述第一放大电路包括第一电阻、第二晶体管和第二源级接地电感；
所述第一电阻连接电源为第二晶体管的栅极提供电压，所述第二晶体管的源极连接第二源极接地电感。
进一步的，所述第二磁电混合耦合电路包括第四电感、第五电感和第四电容；
所述第四电感与第五电感相互耦合，形成磁耦合；所述第四电容串联到第四电感和第五电感之间，用于实现第四电感和第五电感之间的电耦合；所述第四电感通过去耦电容连接电源为第一放大电路的第二晶体管漏极提供电压，第五电感为接地电感。
进一步的，所述第二磁电混合耦合电路还包括第六电感、第五电容和第六电容；
所述第六电感的一端同时连接第四电容和第五电感，另一端连接第六电容；所述第五电容的一端接地，另一端与第四电感和第一放大电路的第二晶体管漏极并联连接；所述第六电容的一端串联第六电感，另一端连接第二放大电路的第三晶体管栅极。
进一步的，所述第二放大电路包括第二电阻、第三晶体管、第三源级接地电感和输出匹配电路，所述输出匹配电路包括第七电感、第七电容、第八电感和第八电容；
所述第二电阻连接电源为第三晶体管的栅极提供电压，所述第三晶体管的源极连接第三源极接地电感；所述第七电感、第七电容、第八电感和第八电容共同作用实现宽带阻抗匹配；所述第七电感通过去耦电容连接电源为第三晶体管的漏极提供电压，所述第八电感为接地电感。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种接收机，包括上述的小型化滤波低噪声放大器。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
本发明的小型化滤波低噪声放大器包括依次级联的输入放大电路、第一磁电混合耦合电路和输出放大电路，第一磁电混合耦合电路用于实现输入放大电路和输出放大电路的阻抗匹配，并在低于放大器的工作频段外产生传输零点；传输零点的引入能有效地对干扰信号进行抑制，从而解决滤波器和低噪声放大器级联时级间失配和难以集成等问题；通过电容引入电耦合，电感耦合获得磁耦合，磁电耦合相消时获得传输零点地方式，不会额外引入电路面积，能够降低电路复杂度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的小型化滤波低噪声放大器的简易结构示意图。
图2是本发明实施例的小型化滤波低噪声放大器的具体结构示意图。
图3为本发明实施例的小型化滤波低噪声放大器的噪声系数实验结果图。
图4为本发明实施例的小型化滤波低噪声放大器的S参数实验结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1所示，本实施例提供了一种小型化滤波低噪声放大器，该放大器包括依次级联的输入放大电路100、第一磁电混合耦合电路200和输出放大电路300，输入放大电路100连接信号输入端，输出放大电路300连接信号输出端，信号输入端用IN表示，信号输出端用OUT表示。
输入放大电路100，用于将信号输入端输入的信号放大，并传输给第一磁电混合耦合电路200；如图1和图2所示，输入放大电路100包括输入匹配电路、第一晶体管101和第一源级接地电感302，输入匹配电路包括第三电容201和第三电感301。
其中，第一晶体管101的源极连接第一源极接地电感302，第三电感301与第一源极接地电感302相互耦合，第三电容201、第三电感301和第一源极接地电感302共同作用，实现低噪声系数的阻抗匹配；第三电感301通过去耦电容连接电源为第一晶体管101的栅极提供电压。
第一磁电混合耦合电路200的输入端连接输入放大电路100，输出端连接输出放大电路300，用于实现输入放大电路100和输出放大电路300的阻抗匹配，并在放大器的工作频段外产生传输零点，抑制干扰信号；如图1和图2所示，第一磁电混合耦合电路200包括第一电感303、第二电感304和第一电容202；第一电感与第二电感相互耦合，形成磁耦合；第一电容串联到第一电感和第二电感之间，用于实现第一电感和第二电感之间的电耦合；磁耦合和电耦合在放大器的工作频段外相互抵消，产生传输零点；第一电感303通过去耦电容连接电源为第一晶体管101漏极提供电压，第二电感304为接地电感。
输出放大电路300，用于将第一磁电混合耦合电路200传递来的信号放大，并通过信号输出端进行输出；如图1和图2所示，输出放大电路300包括依次连接的第一放大电路3001、第二磁电混合耦合电路3002和第二放大电路3003。
第二磁电混合耦合电路3002，用于实现第一放大电路3001与第二放大电路3003之间的阻抗匹配；第二磁电混合耦合电路3002的结构与第一磁电混合耦合电路200的结构相同，同样包含两个相互耦合的接地电感以及电感之间串联的电容；第一磁电混合耦合电路200和第二磁电混合耦合电路3002的电感电容值设置不同，可以实现不同阻抗值之间的变换以及不同的传输零点位置共同作用，第一磁电混合耦合电路302和第二磁电混合耦合电路3002在放大器的不同级间共同配合作用，实现所需要的更高带外抑制效果。
进一步地，第一放大电路3001包括第一电阻401、第二晶体管102和第二源级接地电感305，第一电阻401连接电源为第二晶体管102的栅极提供电压，第二晶体管102的源极连接第二源极接地电感305。
进一步地，第一磁电混合耦合电路200还包括第二电容203，第二电容203的一端同时连接第一电容202和第二电感304，另一端连接第二晶体管102栅极，第二电容203参与阻抗匹配，使得信号能有效地放大与传递。
进一步地，第二磁电混合耦合电路3002包括第四电感306、第五电感307和第四电容205；第四电感306与第五电感307相互耦合，形成磁耦合；第四电容205串联到第四电感306和第五电感307之间，用于实现第四电感306和第五电感307之间的电耦合；第四电感306通过去耦电容连接电源为第二晶体管102漏极提供电压，第五电感307为接地电感。
进一步地，第二放大电路3003包括第二电阻402、第三晶体管103、第三源级接地电感309和输出匹配电路，输出匹配电路包括第七电感310、第七电容207、第八电感311和第八电容208；第二电阻402连接电源为第三晶体管103的栅极提供电压，第三晶体管103的源极连接第三源极接地电感309；第七电感310、第七电容207、第八电感311和第八电容208共同作用实现宽带阻抗匹配；第七电感310通过去耦电容连接电源为第三晶体管103的漏极提供电压，第八电感311为接地电感。
进一步地，第二磁电混合耦合电路还包括第六电感308、第五电容204和第六电容206；第六电感308的一端同时连接第四电容205和第五电感307，另一端连接第六电容206；第五电容204的一端接地，另一端与第四电感306和第二晶体管102漏极并联连接；第六电容206的一端串联第六电感308，另一端连接第三晶体管103栅极；第五电容204、第六电容206和第六电感308参与阻抗匹配，使得信号能有效地放大与传递。
本实施例的小型化滤波低噪声放大器，包括依次级联的输入放大电路，第一磁电混合耦合电路和输出放大电路，输出放大电路包括依次连接的第一放大电路、第二磁电混合耦合电路和第二放大电路，其中磁电混合耦合电路用于形成传输零点，对晶体管的漏极输出信号进行滤波处理，实现对低频干扰信号的抑制功能，由于磁电混合耦合电路采用一个电容左右连接两个互相耦合的电感，相比于传统的阻抗匹配网络中采用的变压器电路，不会额外增大电路面积，因此具有小型化的优势。该电路中，电容用来实现电耦合，相互耦合的电感实现磁耦合，当磁电耦合相消的时候，在工作频段外产生传输零点；再通过在电容前后端串并联电容电感的方式，可以获得良好的有效的信号放大响应。因此，本实施例的小型化滤波低噪声放大器，在不额外增加芯片面积的前提下，融合了低噪声放大器和滤波器的功能，降低了接收机的电路复杂度。
在上述实施例的基础上，第一放大电路3001和第二磁电混合耦合电路3002的数量可以为多个，多个第一放大电路和第二磁电混合耦合电路的组合依次连接；前一个第一放大电路与后一个第一放大电路之间的阻抗匹配通过前一个第二磁电混合耦合电路实现；根据实际需求对第一放大电路和第二磁电混合耦合电路的数量进行设置。
本领域技术人员可以理解，第一磁电混合耦合电路200的额外组成不限于第二电容203；第二磁电混合耦合电路3002的额外组成不限于第五电感308，第四电容204和第五电容206；为了同时实现所需阻抗匹配和传输零点引入，可以通过串并联电容电感等多种形式。
在上述实施例中，可以采用CMOS、氮化镓GaN、砷化镓GaAs等工艺在集成电路或印刷电路板实现目标功能，第一晶体管101、第二晶体管102、第三晶体管103采用相应工艺可提供的晶体管；电容和电感在不同工艺中根据阻抗匹配和传输零点的需求实现。
图3为本申请实施例提供的小型化滤波低噪声放大器的噪声系数仿真与测试的结果图，图4为本申请实施例提供的小型化滤波低噪声放大器的S21（小信号增益）、S11和S22的仿真与测试结果图。图3中实线为测试结果，虚线为仿真结果，在24 GHz到35 GHz的工作频带内，测试的噪声系数小于3.6 dB；图4中滤波低噪声放大器的测试结果如实线所示，仿真结果如虚线所示，测试的增益波动3 dB内的工作频段为24 GHz到35 GHz，测试的最大增益为22 dB；在18 GHz以下，带外抑制大于25 dBc，具有良好的低频抑制效果；27 GHz到36GHz内测试的S11小于-10 dB，在21.5 GHz到32.5 GHz内测试的S22小于-10 dB。
综上所述，本发明的小型化滤波低噪声放大器，由磁电混合耦合电路同时实现阻抗匹配和低频抑制，在不额外增大低噪放芯片面积的前提下，在一个电路中同时实现滤波器和低噪声放大器的功能，具有芯片面积小的优势，由于本申请实施例实现了低噪声放大器和滤波器的融合设计，相对于传统技术中的低噪声放大器和滤波器的级联设计，能够降低接收机的插入损耗以及尺寸，获得较好的噪声系数以及增益，提高了接收机的性能。并且，通过采用磁电混合耦合电路能够在保持所需工作频带外传输零点位置的同时对工作频带内的匹配性能进行更好地调控。
此外，本实施例还提供了一种接收机，该接收机是无信通信系统的接收机，其包括上述的小型化滤波低噪声放大器。
以上实施例的各技术特征可以进性任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进性描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详尽，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，不脱离本发明构想的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种小型化滤波低噪声放大器，其特征在于，包括依次级联的输入放大电路、第一磁电混合耦合电路和输出放大电路，所述输入放大电路连接信号输入端，所述输出放大电路连接信号输出端；
所述输入放大电路，用于将信号输入端输入的信号放大，并传输给第一磁电混合耦合电路；
所述第一磁电混合耦合电路，用于实现输入放大电路和输出放大电路的阻抗匹配，并在放大器的工作频段外产生传输零点，抑制干扰信号；第一磁电混合耦合电路包括第一电感、第二电感和第一电容；所述第一电感与第二电感相互耦合，形成磁耦合；所述第一电容串联到第一电感和第二电感之间，用于实现第一电感和第二电感之间的电耦合；所述磁耦合和电耦合在放大器的工作频段外相互抵消，产生传输零点；
所述输出放大电路，用于将第一磁电混合耦合电路传递来的信号放大，并通过信号输出端进行输出。
2.根据权利要求1所述的小型化滤波低噪声放大器，其特征在于，所述第一电感通过去耦电容连接电源为输入放大电路的第一晶体管漏极提供电压，所述第二电感为接地电感。
3.根据权利要求1所述的小型化滤波低噪声放大器，其特征在于，所述第一磁电混合耦合电路还包括第二电容，所述第二电容的一端同时连接第一电容和第二电感，另一端连接输出放大电路的第二晶体管栅极。
4.根据权利要求1所述的小型化滤波低噪声放大器，其特征在于，所述输入放大电路包括输入匹配电路、第一晶体管和第一源级接地电感，所述输入匹配电路包括第三电容和第三电感；
所述第一晶体管的源极连接第一源极接地电感，所述第三电感与第一源极接地电感相互耦合，所述第三电容、第三电感和第一源极接地电感共同作用，实现低噪声系数的阻抗匹配；第三电感通过去耦电容连接电源为第一晶体管的栅极提供电压。
5.根据权利要求1-4任一项所述的小型化滤波低噪声放大器，其特征在于，所述输出放大电路包括依次连接的第一放大电路、第二磁电混合耦合电路和第二放大电路；
所述第二磁电混合耦合电路，用于实现第一放大电路与第二放大电路之间的阻抗匹配；第一磁电混合耦合电路和第二磁电混合耦合电路在放大器的不同级间共同配合作用，实现所需要的带外抑制效果。
6.根据权利要求5所述的小型化滤波低噪声放大器，其特征在于，所述第一放大电路包括第一电阻、第二晶体管和第二源级接地电感；
所述第一电阻连接电源为第二晶体管的栅极提供电压，所述第二晶体管的源极连接第二源极接地电感。
7.根据权利要求5所述的小型化滤波低噪声放大器，其特征在于，所述第二磁电混合耦合电路包括第四电感、第五电感和第四电容；
所述第四电感与第五电感相互耦合，形成磁耦合；所述第四电容串联到第四电感和第五电感之间，用于实现第四电感和第五电感之间的电耦合；所述第四电感通过去耦电容连接电源为第一放大电路的第二晶体管漏极提供电压，第五电感为接地电感。
8.根据权利要求7所述的小型化滤波低噪声放大器，其特征在于，所述第二磁电混合耦合电路还包括第六电感、第五电容和第六电容；
所述第六电感的一端同时连接第四电容和第五电感，另一端连接第六电容；所述第五电容的一端接地，另一端与第四电感和第一放大电路的第二晶体管漏极并联连接；所述第六电容的一端串联第六电感，另一端连接第二放大电路的第三晶体管栅极。
9.根据权利要求5所述的小型化滤波低噪声放大器，其特征在于，所述第二放大电路包括第二电阻、第三晶体管、第三源级接地电感和输出匹配电路，所述输出匹配电路包括第七电感、第七电容、第八电感和第八电容；
所述第二电阻连接电源为第三晶体管的栅极提供电压，所述第三晶体管的源极连接第三源极接地电感；所述第七电感、第七电容、第八电感和第八电容共同作用实现宽带阻抗匹配；所述第七电感通过去耦电容连接电源为第三晶体管的漏极提供电压，所述第八电感为接地电感。
10.一种接收机，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的小型化滤波低噪声放大器。
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