CN115549601A - 一种Ka波段宽带低噪声放大器 - Google Patents

一种Ka波段宽带低噪声放大器 Download PDF

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CN115549601A CN202211297998.7A CN202211297998A CN115549601A CN 115549601 A CN115549601 A CN 115549601A CN 202211297998 A CN202211297998 A CN 202211297998A CN 115549601 A CN115549601 A CN 115549601A
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黄未霖
余启龙
汤思达
姜岩峰
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Abstract

本发明公开了一种Ka波段宽带低噪声放大器，属于电子通信、集成电路技术领域。所述放大器包括依次连接的输入匹配网络、主放大级、级间匹配网络和缓冲级。输入匹配网络采用Arm和Branch结构提高S11带宽，降低噪声系数和最低噪声系数的偏差，对应的S11<‑10dB带宽可达7.5GHz，噪声系数范围为5.9‑6.6dB，仅比最低噪声系数高0.2dB；主放大级和缓冲级均采用有源晶体管，且通过体隔离技术在衬底串入大电阻接地，以提高放大器的增益，最高增益可达11.2dB；主放大级的有源晶体管M2漏极通过并联峰值负载接至电源电压VDD，用于提高低频处增益，同时引入级间匹配网络来提高‑3dB带宽，实现宽带频谱响应，最终‑3dB带宽达到了7.5GHz。

Description

一种Ka波段宽带低噪声放大器
技术领域
本发明涉及一种Ka波段宽带低噪声放大器，属于电子通信、集成电路技术领域。
背景技术
低噪声放大器位于无线接收机系统前端，其功能是在引入尽可能低的噪声前提下实现对信号的放大，同时需要一定的增益来抑制后级电路产生的噪声对信号的影响，是各类微波、毫米波通信等领域至关重要的模块。随着通信技术的发展，Sub-5GHz频谱资源逐渐无法满足宽带、高速的通信需求，Ka波段以上的毫米波逐渐在5G、雷达通讯等领域迅速发展。
为了接收机能够工作在尽可能宽的工作范围，低噪声放大器需要具备足够宽的宽带特性。因此，在Ka波段通信中需要宽带低噪声放大器来实现宽带信号的低噪声放大，但是在宽带范围内实现噪声匹配、共轭匹配以及较高的增益是比较困难的。
目前宽带低噪声放大器通常采用共栅-共源(CG-CS)放大器，通过调整跨导实现共轭匹配，调整负载实现较高的增益，但是由于放大器所需要的最优噪声源阻抗曲线和输入阻抗的共轭曲线的变化方向相反，并且两者在工作频带内相距较远，所以噪声匹配和共轭匹配无法较好的折中，导致其整体的噪声系数较高。在共源级放大器中采用三阶切比雪夫滤波器作为输入匹配网络，可以实现较宽的带宽，但是其增益会在高频处迅速下降；使用LC梯形滤波器作为输入匹配网络可以实现宽增益带宽，但是其S11<-10dB的带宽较低且增益在高频处衰减。
发明内容
为了解决目前宽带低噪声放大器存在的输入网络共轭匹配和噪声匹配折中问题、增益在高频处的衰减问题和S11<-10dB的带宽较低的问题，本发明提供了一种Ka波段宽带低噪声放大器，包括：依次连接的输入匹配网络、主放大级、级间匹配网络和缓冲级；
其中，所述主放大级和所述缓冲级为两级放大电路，每一级放大器均采用有源晶体管放大器；所述输入匹配网络采用Arm和Branch结构将输入S11阻抗曲线压缩和卷曲至S11＝-10dB圆内，同时将输入阻抗匹配至50Ω，将输入端的共轭匹配和噪声匹配均在Ka波段内匹配至50Ω，以提高输入带宽并减小噪声系数；所述级间匹配网络通过匹配电感Lm以提高所述Ka波段宽带低噪声放大器的高频增益。
可选的，所述输入匹配网络包括电感L1、电容C1、电感L2和电容C2；将电感L1串联电容C1作为Arm结构，将电感L2并联电容C2作为Branch结构，再将Arm结构和Branch结构并联后连接所述主放大级；Arm结构和Branch结构的自谐振频率均调整为带宽中心频率，且Arm结构中的电感L1的值大于Branch结构中的电感L2的值；
在低频处，Arm结构相当于电容，使得S11阻抗曲线低频端沿着阻抗圆逆时针移动；Branch结构相当于电感，使得S11阻抗曲线低频端沿着导纳圆逆时针转动；
在高频处，Arm结构相当于电感，使得S11曲线高频端沿着阻抗圆顺时针移动；Branch结构相当于电容，使得S11曲线高频端沿着导纳圆顺时针转动；
S11曲线在Arm结构或者Branch结构的帮助下，朝着史密斯圆图中心点的方向压缩和旋转，并且使得S11曲线尽可能落在-10dB圆内。
可选的，所述主放大级包括栅极电感Lg、有源晶体管M1，有源晶体管M2、源极电感Ls，负载电阻RL和负载电感LL；
有源晶体管M1和M2构成共源共栅Cascode结构；所述有源晶体管M1的栅极通过输入匹配网络的电感L2接入偏置电压，其源极通过源极电感Ls接地，且有源晶体管M1的栅极和源极之间接入栅源电容Cgs；通过所述栅极电感Lg、源极电感Ls和M1栅源电容Cgs实现中心频率单频点的共轭匹配至50Ω，
所述有源晶体管M1的漏极连接至所述有源晶体管M2的源极；所述有源晶体管M2的栅极接入偏置电压，其源极接至有源晶体管M1的漏极，其漏极通过并联峰值负载接至电源电压VDD，有源晶体管M2的漏极和源极之间接入漏源电容Cds，所述并联峰值负载包括负载电阻RL和负载电感LL，通过所述负载电阻RL和负载电感LL产生一个零点以提高低频处增益。
可选的，所述缓冲级包括两个有源晶体管M3和M4；所述有源晶体管M3的栅极通过电阻Rb接入偏置电压，其漏极接至电源电压VDD，其源极接至有源晶体管M4，有源晶体管M3的栅极和源极之间接入栅源电容Cgs；所述有源晶体管M4作为电流源负载，其栅极接入偏置电压，其源极接至地，其漏极接至有源晶体管M3的源极；所述电阻Rb≥10kΩ；
在所述缓冲级中，其输出端是在有源晶体管M3的漏极，作为所述Ka波段宽带低噪声放大器的输出端。
可选的，所述级间匹配网络包括电感Lm，其通过将所述主放大级的有源晶体管M2的漏源电容Cds和所述缓冲级的有源晶体管M3的栅源电容Cgs谐振，提高所述Ka波段宽带低噪声放大器在高频处的增益和带宽。
可选的，所述主放大级的有源晶体管M1、M2以及所述缓冲级的有源晶体管M3、M4均为180nm互补金属氧化物场效应晶体管中的N型场效应晶体管，且引入体隔离技术，在其衬底与地之间接入电阻Rbulk以提高放大器增益，所述电阻Rbulk≥10kΩ。
可选的，所述N型场效应晶体管均偏置在最低噪声系数的电流密度下，为0.15mA/μm，同时其增益大于8dB。
可选的，所述Ka波段宽带低噪声放大器的-3dB带宽为7.5GHz，S11<-10dB带宽为6.7GHz。
可选的，所述Ka波段宽带低噪声放大器的-3dB带宽范围内，噪声系数NF范围为5.9-6.6dB。
本申请还提供一种无线接收机，所述无线接收机采用上述Ka波段宽带低噪声放大器实现对接收信号的放大。
本发明有益效果是：
通过所述输入匹配网络，将输入端的共轭匹配和噪声匹配均在Ka波段内匹配至50Ω，并且减小了共轭匹配和噪声匹配的偏差，降低了低噪声放大器的噪声，且使得噪声接近最低噪声。提高了低噪声放大器的输入带宽。通过所述主放大级和所述级间匹配网络，以及所述有源晶体管衬底与地之间的大电阻，提高了低噪声放大器的增益和增益带宽。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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为本发明提供的一种Ka波段宽带低噪声放大器的电路原理图。
图2为本发明提供的一种Ka波段宽带低噪声放大器的输入匹配网络对S11阻抗曲线的影响效果图。
图3为本发明提供的一种Ka波段宽带低噪声放大器的S11阻抗曲线史密斯图和输入阻抗和输入反射系数S11与频率关系的曲线图。
图4为本发明提供的一种Ka波段宽带低噪声放大器的级间匹配的电路原理图。
图5为本发明提供的一种Ka波段宽带低噪声放大器的S参数与频率关系的曲线图。
图6为本发明提供的一种Ka波段宽带低噪声放大器的噪声系数NF和最低噪声系数NFmin与频率关系的曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一：
本实施例提供一种Ka波段宽带低噪声放大器，参见图1，该宽带低噪声放大器包括：依次连接的输入匹配网络、主放大级、级间匹配网络和缓冲级；其中，主放大级和缓冲级为两级放大电路，均采用有源晶体管，且有源晶体管的栅极连接有对应的偏置电压。输入匹配网络采用Arm和Branch结构将输入S11阻抗曲线压缩和卷曲至S11＝-10dB圆内，同时将输入阻抗匹配至50Ω，将输入端的共轭匹配和噪声匹配均在Ka波段内匹配至50Ω，以提高输入带宽并减小噪声系数；级间匹配网络通过匹配电感Lm以提高Ka波段宽带低噪声放大器的高频增益。
主放大级和缓冲级所采用的有源晶体管的管芯为180nm互补金属氧化物场效应晶体管(CMOS)中N型场效应晶体管(NMOS)。栅极和漏极的偏置电压由外部提供，一般通过电感或者大电阻引入，电感还可以兼做匹配应用。
在一些优选实施例中，所述N型场效应晶体管(NMOS)，均偏置在最低噪声系数的电流密度下，为0.15mA/μm，同时具有较大的增益。
在一些优选实施例中，引入体隔离技术，所述N型场效应晶体管的衬底可以通过串入阻值至少为10kΩ的大电阻接地，提高放大器的增益。
所述输入匹配网络采用基于高阶滤波器的LC串并联结构，能够将输入S11阻抗曲线压缩和卷曲至很小的面积，同时将输入阻抗匹配至50Ω，将输入端的共轭匹配和噪声匹配均在Ka波段内匹配至50Ω，从而提高输入带宽，减小噪声系数。
具体的，在所述输入匹配网络中，采用电感L1串联电容C1作为Arm结构，采用电感L2并联电容C2作为Branch结构，将Arm结构和Branch结构的自谐振频率(SRF)均调整为带宽中心频率。
在低频处，Arm结构相当于电容，使得S11阻抗曲线低频端沿着阻抗圆逆时针移动；在高频处，Arm结构相当于电感，使得S11曲线高频端沿着阻抗圆顺时针移动。
Arm结构的阻抗与自谐振频率(SRF)：
Figure BDA0003902270400000041
其中，Z为阻抗，j为虚部，ω为角频率，L1为电感，C1为电容，
Figure BDA0003902270400000042
为Arm自谐振频率。
在低频处，Branch结构相当于电感，使得S11阻抗曲线低频端沿着导纳圆逆时针转动；在高频处，Branch结构相当于电容，使得S11曲线高频端沿着导纳圆顺时针转动。
Branch结构的导纳与自谐振频率(SRF)：
Figure BDA0003902270400000051
其中，Y为导纳，j为虚部，ω为角频率，L2为电感，C2为电容，
Figure BDA0003902270400000052
为Branch自谐振频率。
图2为本发明提供的一种Ka波段宽带低噪声放大器的输入匹配网络对S11阻抗曲线的影响效果图。左图表示Arm结构对S11阻抗曲线的影响，右图表示Branch结构对S11阻抗曲线的影响。从图2中可以看到，S11曲线在Arm结构或者Branch结构的帮助下，朝着史密斯圆图中心点的方向压缩和旋转，并且使得S11曲线尽可能落在-10dB圆内。
所述主放大级包括栅极电感Lg、有源晶体管M1，有源晶体管M2、源极电感Ls，负载电阻RL和负载电感LL。在所述主放大级中，有源晶体管M1和M2构成共源共栅Cascode结构。在所述主放大级的有源晶体管M1放大器中，其栅极通过输入匹配网络的电感L2接入偏置电压，其源极通过源极电感Ls接地，且有源晶体管M1的栅极和源极之间接入栅源电容Cgs；栅极电感Lg、源极电感Ls和M1栅源电容Cgs实现中心频率单频点的共轭匹配至50Ω，其漏极连接至有源晶体管M2的源极。在所述主放大级的有源晶体管M2放大器中，其栅极接入偏置电压，其源极接至有源晶体管M1的漏极，其漏极通过并联峰值负载(负载电阻RL和负载电感LL)接至电源电压VDD，有源晶体管M2的漏极和源极之间接入漏源电容Cds，其负载电阻RL和负载电感LL可以产生一个零点，提高低频处增益。
图3为本发明提供的一种Ka波段宽带低噪声放大器的S11阻抗曲线史密斯图和输入阻抗和输入反射系数S11与频率关系的曲线图。从图中可以看到，将所述输入匹配网络和所述主放大级相结合，可以将S11阻抗曲线压缩和扭曲至-10dB圆内，并且在S11曲线的中心频率两侧引入两个陷波，使得S11<-10dB的带宽扩展，同时使得输入阻抗在宽频带内实现50Ω共轭匹配，其中输入阻抗实部为50Ω，输入阻抗虚部为0Ω，其中Arm结构中的电感L1的值必须大于Branch结构中的电感L2的值，即保证了输入匹配网络与栅极电感Lg和栅源电容Cgs的对称性，也保证了噪声匹配也可以在宽带内实现近似50欧姆匹配，使得所述Ka波段宽带低噪声放大器的噪声系数NF接近最低噪声系数NFmin。
噪声匹配是需要将主放大级中的有源晶体管M1的栅端向信号源看进去的阻抗匹配至M1所需要的最佳噪声源阻抗，而最佳噪声源阻抗与输入阻抗的共轭随着频率变化的曲线的方向是相反的。为了实现噪声匹配和输入阻抗匹配在Ka波段能够同时满足，首先将晶体管M1所需要的最佳噪声源阻抗在中心频率处也调整到50欧姆，再通过Lg、Cgs加上输入匹配网络(L1+C1+L2+C2)实现左右对称的噪声匹配网络，实现最佳噪声源阻抗在Ka波段能够在50欧姆上下波动，满足了噪声匹配与输入阻抗匹配。
所述缓冲级包括两个有源晶体管M3和M4，在所述缓冲级中的有源晶体管M3中，其栅极通过大电阻Rb接入偏置电压，其漏极接至电源电压VDD，其源极接至有源晶体管M4，有源晶体管M3的栅极和源极之间接入栅源电容Cgs；在所述缓冲级中的有源晶体管M4中，有源晶体管M4作为电流源负载，其栅极接入偏置电压，其源极接至地，其漏极接至有源晶体管M3的源极。在所述缓冲级中，其输出端是在有源晶体管M3的漏极，作为所述Ka波段宽带低噪声放大器的输出端，电阻Rb≥10kΩ。
图4为本发明提供的一种Ka波段宽带低噪声放大器的级间匹配的电路原理图。所述级间匹配网络包括电感Lm，其通过将所述主放大级的有源晶体管M2的漏源电容Cds和所述缓冲级的有源晶体管M3的栅源电容Cgs谐振，提高所述Ka波段宽带低噪声放大器在高频处的增益和带宽。
图5为本发明提供的一种Ka波段宽带低噪声放大器的S参数与频率关系的曲线图。从可以看出，-3dB带宽为7.5GHz(29.1-36.6GHz)，S11<-10dB带宽为6.7GHz(28.3-35GHz)，在-3dB带宽范围内，S22小于-10dB，S12小于-20dB。
图6为本发明提供的一种Ka波段宽带低噪声放大器的噪声系数NF和最低噪声系数NFmin与频率关系的曲线图。从图中可以看出，在-3dB带宽范围内，噪声系数NF范围为5.9-6.6dB，仅仅比最低噪声系数NFmin高0.2dB。
综上所述，本发明针对宽带低噪声放大器输入网络的共轭匹配和噪声匹配折中问题、增益在高频处的衰减问题和S11<-10dB的带宽较低的问题，提供了一种Ka波段宽带低噪声放大器，通过输入匹配网络的Arm和Branch结构提高S11带宽，降低噪声系数和最低噪声系数的偏差，通过体隔离技术、并联峰值负载和级间匹配网络提高-3dB带宽，实现宽带频谱响应。
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种Ka波段宽带低噪声放大器，其特征在于，所述Ka波段宽带低噪声放大器包括：依次连接的输入匹配网络、主放大级、级间匹配网络和缓冲级；
其中，所述主放大级和所述缓冲级为两级放大电路，每一级放大器均采用有源晶体管放大器；所述输入匹配网络采用Arm和Branch结构将输入S11阻抗曲线压缩和卷曲至S11＝-10dB圆内，同时将输入阻抗匹配至50Ω，将输入端的共轭匹配和噪声匹配均在Ka波段内匹配至50Ω，以提高输入带宽并减小噪声系数；所述级间匹配网络通过匹配电感Lm以提高所述Ka波段宽带低噪声放大器的高频增益。
2.根据权利要求1所述的Ka波段宽带低噪声放大器，其特征在于，所述输入匹配网络包括电感L1、电容C1、电感L2和电容C2；将电感L1串联电容C1作为Arm结构，将电感L2并联电容C2作为Branch结构，再将Arm结构和Branch结构并联后连接所述主放大级；Arm结构和Branch结构的自谐振频率均调整为带宽中心频率，且Arm结构中的电感L1的值大于Branch结构中的电感L2的值；
在低频处，Arm结构相当于电容，使得S11阻抗曲线低频端沿着阻抗圆逆时针移动；Branch结构相当于电感，使得S11阻抗曲线低频端沿着导纳圆逆时针转动；
在高频处，Arm结构相当于电感，使得S11曲线高频端沿着阻抗圆顺时针移动；Branch结构相当于电容，使得S11曲线高频端沿着导纳圆顺时针转动；
S11曲线在Arm结构或者Branch结构的帮助下，朝着史密斯圆图中心点的方向压缩和旋转，并且使得S11曲线尽可能落在-10dB圆内。
3.根据权利要求2所述的Ka波段宽带低噪声放大器，其特征在于，所述主放大级包括栅极电感Lg、有源晶体管M1，有源晶体管M2、源极电感Ls，负载电阻RL和负载电感LL；
有源晶体管M1和M2构成共源共栅Cascode结构；所述有源晶体管M1的栅极通过输入匹配网络的电感L2接入偏置电压，其源极通过源极电感Ls接地，且有源晶体管M1的栅极和源极之间接入栅源电容Cgs；通过所述栅极电感Lg、源极电感Ls和M1栅源电容Cgs实现中心频率单频点的共轭匹配至50Ω，
所述有源晶体管M1的漏极连接至所述有源晶体管M2的源极；所述有源晶体管M2的栅极接入偏置电压，其源极接至有源晶体管M1的漏极，其漏极通过并联峰值负载接至电源电压VDD，有源晶体管M2的漏极和源极之间接入漏源电容Cds，所述并联峰值负载包括负载电阻RL和负载电感LL，通过所述负载电阻RL和负载电感LL产生一个零点以提高低频处增益。
4.根据权利要求3所述的Ka波段宽带低噪声放大器，其特征在于，所述缓冲级包括两个有源晶体管M3和M4；所述有源晶体管M3的栅极通过电阻Rb接入偏置电压，其漏极接至电源电压VDD，其源极接至有源晶体管M4，有源晶体管M3的栅极和源极之间接入栅源电容Cgs；所述有源晶体管M4作为电流源负载，其栅极接入偏置电压，其源极接至地，其漏极接至有源晶体管M3的源极；所述电阻Rb≥10kΩ；
在所述缓冲级中，其输出端是在有源晶体管M3的漏极，作为所述Ka波段宽带低噪声放大器的输出端。
5.根据权利要求4所述的Ka波段宽带低噪声放大器，其特征在于，所述级间匹配网络包括电感Lm，其通过将所述主放大级的有源晶体管M2的漏源电容Cds和所述缓冲级的有源晶体管M3的栅源电容Cgs谐振，提高所述Ka波段宽带低噪声放大器在高频处的增益和带宽。
6.根据权利要求5所述的Ka波段宽带低噪声放大器，其特征在于，所述主放大级的有源晶体管M1、M2以及所述缓冲级的有源晶体管M3、M4均为180nm互补金属氧化物场效应晶体管中的N型场效应晶体管，且引入体隔离技术，在其衬底与地之间接入电阻Rbulk以提高放大器增益，所述电阻Rbulk≥10kΩ。
7.根据权利要求6所述的Ka波段宽带低噪声放大器，其特征在于，所述N型场效应晶体管均偏置在最低噪声系数的电流密度下，为0.15mA/μm，同时其增益大于8dB。
8.根据权利要求7所述的Ka波段宽带低噪声放大器，其特征在于，所述Ka波段宽带低噪声放大器的-3dB带宽为7.5GHz，S11<-10dB带宽为6.7GHz。
9.根据权利要求8所述的Ka波段宽带低噪声放大器，其特征在于，所述Ka波段宽带低噪声放大器的-3dB带宽范围内，噪声系数NF范围为5.9-6.6dB。
10.一种无线接收机，其特征在于，所述无线接收机采用权利要求1-9任一所述的Ka波段宽带低噪声放大器实现对接收信号的放大。
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CN115913134A (zh) * 2023-03-10 2023-04-04 成都明夷电子科技有限公司 一种宽带低噪声放大器和电子设备
CN117081523A (zh) * 2023-10-18 2023-11-17 四川益丰电子科技有限公司 一种宽带衰减低噪声放大多功能芯片

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