CN207442796U - 一种Ka波段MMIC低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种Ka波段MMIC低噪声放大器，主要解决现有技术中的噪声系数高、带内增益平坦度差、线性度差的技术问题。通过采用包括两级放大器、λ/4传输线结构以及三级匹配网络，该两级放大器包括第一级场效应晶体管放大器，第一级栅极偏置网络，第一级漏极偏置网络以及第一级源极的电阻、第一级源极的电容并联网络，第二级放大器，第二级栅极偏置网络，第二级漏极偏置网络以及第二级源极的电阻、电容并联网络；该λ/4传输线结构包括与第一级栅极偏置网络连接的第一传输线网，以及与第一级漏极偏置网络连接的第二传输线网的技术方案，较好的解决了该问题，能够用于Ka波段的通信领域。

Description

一种Ka波段MMIC低噪声放大器

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，特别涉及到一种用于Ka波段微波无线通信系统的Ka波段MMIC低噪声放大器。

背景技术

随着微波通信技术发展，单片微波集成电路(Monolithic Microwave IntegratedCircuit,MMIC)凭借其小型紧凑性、稳定性好、抗干扰能力强和产品性能一致性好的优点成为电子对抗用通信系统应用中理想的选择。

Ka波段MMIC低噪声放大器设计于微波射频接收系统的前端，其主要功能是将来自天线的低电压信号进行小信号放大。前端放大器的噪声系数对整个微波系统的噪声影响较大，前端放大器噪声系数的增益将决定后端电路的噪声抑制程度，前端放大器的线性度对整个系统的线性度和共模抑制比具有非常重要的影响。现有的Ka波段MMIC低噪声放大器仍然存在噪声系数较高、带内增益平坦度不够以及线性度差的问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是现有技术中存在的噪声系数较高、带内增益平坦度不够以及线性度差的技术问题，提供一种新的Ka波段MMIC低噪声放大器，该放大器具有噪声系数低、带内增益平坦度以及线性度较好的技术特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种Ka波段MMIC低噪声放大器，包括两级放大器、三级匹配网络和λ/4传输线结构；

所述两级放大器包括第一级场效应晶体管放大器、第一级栅极偏置网络、第一级漏极偏置网络、及第一级源极的电阻、第一源极电容并联网络，还包括第二级场效应晶体管放大器，第二级栅极偏置网络，第二级漏极偏置网络以及第二级源极的电阻、第二源极的电容并联网络；

所述λ/4传输线结构包括与所述第一级栅极偏置网络连接的第一传输线网，以及与所述第一级漏极偏置网络连接的第二传输线网，所述第一传输线网及第二传输线网包括多个串联的微带线；

所述第一级栅极偏置网络包括栅极第一支路、栅极第二支路和栅极第三支路，所述栅极第一支路、栅极第二支路和栅极第三支路均通过第一接口与第二微带线连接；所述栅极第一支路包括由第五电压供电的串联的第四电容、第七微带线、第三电阻、第四微带线；所述栅极第二支路包括由第三电压供电的串联的第五微带线和第二电容；所述栅极第三支路包括由第四电压串联第三电容后与第一栅极电压并联供电的串联的第六微带线、第二电阻和第三微带线。

信号输入到输入级匹配网络，通过第一传输线网，即第一级栅极偏置网络连接的λ/4传输线结构,使得输入的信号中的杂波以及非线性产物得以滤除，且插入损耗低，还可以起到射频隔离的作用，有效地抑制带外杂散，在较宽的频带内显著提高低噪声放大器的线性度，提高增益平坦度，降低噪声系数；信号通过第一级场效应晶体管放大器时，信号被放大，通过第二传输线网，即第一级漏极偏置网络连接的λ/4传输线结构,使得输入的信号中的杂波以及非线性产物得以进一步滤除，有效减小放大器频响的尖峰，进一步降低噪声系数，进入级间匹配网络，使得信号与第二级场效应晶体管放大器进行匹配，信号再经过第二次放大，输入到输出级匹配网络，将信号以低噪声的状态放大输出。

上述方案中，为优化，进一步地，所述第一级漏极偏置网络包括漏极第一支路、漏极第二支路和漏极第三支路，所述漏极第一支路、漏极第二支路和漏极第三支路均通过第二接口与第二十一微带线连接；所述漏极第一支路包括由第六电压串联第六电容后再与第一漏极电压并联供电的串联的第二十四微带线、第四电阻、第二十三微带线、第二十二微带线；所述漏极第二支路包括由第七电压供电的串联的第二十五微带线和第七电容；所述漏极第三支路包括由第八电压供电的串联的第八电容和第五电阻。

进一步地，所述第二级栅极偏置网络包括栅极第四支路、栅极第五支路和栅极第六支路，所述栅极第四支路、栅极第五支路和栅极第六支路均通过第三接口与第三十五微带线连接的所述栅极第四支路包括由第十电压供电的串联的第十电容、第三十四微带线、第六电阻、第三十一微带线；所述栅极第五支路包括由第十一电压供电的串联的第三十二微带线和第十二电容；所述栅极第六支路包括由第九电压串联第十一电容后与第二栅极电压并联供电的串联的第三十三微带线、第七电阻和第三十微带线。

进一步地，所述第二级漏极偏置网络包括漏极第四支路、漏极第五支路和漏极第六支路，所述漏极第四支路、漏极第五支路和漏极第六支路均通过第四接口与第四十五微带线连接的所述漏极第四支路包括由第十六电压串联第十七电容后再与第二漏极电压并联供电的串联的第四十二微带线、第十电阻、第四十三微带线、第四十四微带线；所述漏极第五支路包括由第十五电压供电的串联的第四十一微带线和第十六电容；所述漏极第六支路包括由第十四电压供电的串联的第十五电容和第九电阻。

进一步地，所述三级匹配网络包括与所述第一传输线网连接的输入级匹配网络、连接在所述第一级漏极偏置网络和所述第二级栅极偏置网络之间的级间匹配网络，以及与所述第二级漏极偏置网络连接的输出级匹配网络；所述输入级匹配网络包括由第十五微带线和第十四微带线串联的输入级开路枝节微带线结构，输入级串联微带线结构和所述第一传输线网13串联；

所述级间匹配网络包括级间串联电容和级间开路短枝节微带线；

所述输出级匹配网络为微带单节短截线匹配网络，包括输出串联微带线和输出开路短枝节微带线。

进一步地：连接在所述第一级栅极偏置网络的第一传输线网包括串联的第九微带线、第十微带线和第十一微带线；连接在所述第一级漏极偏置网络的第二传输线网包括串联的十七微带线、第十八微带线和第十九微带线。

进一步地：所述第一级场效应晶体管放大器为管芯尺寸为4×20μm赝调制掺杂异质结场效应晶体管，所述第二级场效应晶体管放大器为管芯尺寸为4×50μm赝调制掺杂异质结场效应晶体管。

进一步地：所述赝调制掺杂异质结场效应晶体管的管芯为0.15-μm砷化镓管芯。

本实用新型的有益效果：

效果一，在第一级场效应晶体管放大器的栅极和漏极分别串联λ/4传输线结构，λ/4传输线匹配结构不仅可以作为第一级场效应晶体管放大器的栅极的输入级匹配网络，而且λ/4传输线匹配结构插入损耗低，对噪声影响小，在一定程度上起到滤波的作用；λ/4传输线匹配结构还可以起到射频隔离的作用，可以有效减小放大器频响的尖峰，虑除电路的一些非线性产物，更有效地抑制带外杂散，从而在较宽的频带内显著提高低噪声放大器的线性度，提高增益平坦度，降低噪声系数。

效果二，该低噪声放大器由两级放大器级联组成，第一级场效应晶体管放大器降低噪声系数，进行最小噪声系数匹配；第二级场效应晶体管放大器提高增益，进行最大增益系数匹配，级间设计有级间匹配网络，整个电路系统的输入输出端口匹配到50Ω标准阻抗，具有噪声低、整体线性度好、带内增益平坦度好的特点。

效果三，第一级源极的电阻R、电容C并联网络和第二级源极的电阻R、电容C并联网络作为稳定性电路，起到降低谐振，从而提高放大器稳定性的作用。

效果四，输入级匹配网络的输入端用于与外部射频输入端口相连接，输入级匹配网络与λ/4传输线匹配结构串联，起到提高低噪声放大器的线性度，提高增益平坦度，降低噪声系数的作用。

效果五，第一级栅极偏置网络中的第三电阻、第四电容、第二电容、第五微带线主要为第一级场效应晶体管放大器提供稳定的偏置电压，其中通过优化第二电容和第五微带线获得适当的谐振频率；第三电阻和第四电容组成旁路网络，用于确保电路低频稳定性。

效果六，第一级漏极偏置网络中的第五电阻、第七电容和第八电容、第二十五微带线为第一级场效应晶体管放大器提供稳定的电压偏置，其中通过优化第七电容和第二十五微带线获得适当的谐振频率；第五电阻和第八电容组成旁路网络，用于确保电路低频稳定性。

效果七，第二级栅极偏置网络中的第七电阻、第十一电容、第十二电容和第三十二微带线主要为第二级场效应晶体管放大器提供稳定的偏置电压，其中通过优化第十二电容和第三十二微带线获得适当的谐振频率，第六电阻和第十电容组成旁路网络，用于确保电路低频稳定性。

效果八，第二级漏极偏置网络中的第九电阻、第十五电容和第十六电容、第四十一微带线为第二级场效应晶体管放大器提供稳定的电压偏置，其中通过优化第十六电容和第四十一微带线获得适当的谐振频率；第九电阻和第十五电容组成旁路网络，用于确保电路低频稳定性。

效果九，本Ka波段MMIC低噪声放大器工作频段为31-34GHz,在整个工作频带稳定，实验显示整体噪声小于5dB；增益为13.458-16.176dB，增益平坦度小于±1.36dB，在较宽的频带内线性度良好；输入电压驻波比和输出电压驻波比均小于2dB,此Ka波段MMIC低噪声放大器传输性能良好，抗干扰能力强。

效果十，赝调制掺杂异质结场效应晶体管，即pHEMT，的栅极和漏极需要提供正负两种电压，因此本放大器采用双电源电路结构；各级放大器管芯的偏置通过外围供电偏置电路提供，各级放大器管芯的栅极和漏极偏置都是采用RC滤波电路，可以有效地抑制低频自激现象，确保系统的稳定性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是Ka波段MMIC低噪声放大器的电路结构示意图；

图2是Ka波段MMIC低噪声放大器的噪声系数测试结果图；

图3是Ka波段MMIC低噪声放大器的小信号增益S21测试结果图；

图4是Ka波段MMIC低噪声放大器的输入电压驻波比VSWR1与输出电压驻波比VSWR2测试结果图；

1-第一级场效应晶体管放大器；2-第一级栅极偏置网络；3-第一级漏极偏置网络；4-第一级源极的电阻；5-第一级源极电容；6-第二级场效应晶体管放大器；7-第二级栅极偏置网络；8-第二级漏极偏置网络；9-第二级源极的电阻；10-第二级源极的电容；11-输入级开路枝节微带线结构；12-输入级串联微带线；13-第一传输线网；14-第二传输线网；15-级间串联电容；16-级间开路短枝节微带线；17-输出串联微带线；18-输出开路短枝节微带线。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实施例提供一种Ka波段MMIC低噪声放大器，如图1，包括两级放大器、三级匹配网络的微带线结构以及λ/4传输线结构；

两级放大器包括第一级场效应晶体管放大器1：

第一级栅极偏置网络2，第一级漏极偏置网络3，以及第一级源极的电阻4、第一级源极的电容5并联的网络；该第一级场效应晶体管放大器1采用0.15-μm砷化镓工艺制作的赝调制掺杂异质结场效应晶体管(pHEMT)的管芯尺寸为4×20μm；该第一源极的电阻4为第一电阻R1，该第一源极的电容5为第一电容C1；

λ/4传输线结构包括与第一级栅极偏置网络2连接的第一传输线网13，以及与第一级漏极偏置网络3连接的第二传输线网14，第一传输线网13及第二传输线网14包括多个串联的微带线。

第一传输线网13包括串联的第九微带线TL9、第十微带线TL10和第十一微带线TL11，该三个微带线间通过接头Bend3和Bend2连接，TL9通过接头Bend1与第十八微带线TL18串联，TL11通过接头Bend4与第十二微带线TL12串联；第二传输线网14包括串联的十七微带线TL17、第十八微带线TL18和第十九微带线TL19，该三个微带线间通过接头Bend7和Bend8连接，TL19通过接头Bend9与第二十微带线TL20串联，TL17通过接头Bend6与第十六微带线TL16串联；

第二级场效应晶体管放大器6：

该第二场效应晶体管放大器6采用0.15-μm砷化镓工艺制作的赝调制掺杂异质结场效应晶体管即pHEMT的管芯尺寸为4×50μm；第二级栅极偏置网络7，第二级漏极偏置网络8以及第二级源极的电阻9、第二级源极的电容10并联的网络，该第二级源极电阻9为第八电阻R8，该第二级源极电容10为第十三电容C13；

第一级栅极偏置网络2包括通过第一接口Cros1与第二微带线TL2连接的栅极第一支路、栅极第二支路和栅极第三支路，栅极第一支路包括由第五电压V5供电的串联的第四电容C4、第七微带线TL7、第三电阻R3、第四微带线TL4；栅极第二支路包括由第三电压V3供电的串联的第五微带线TL5和第二电容C2；栅极第三支路包括由第四电压V4串联第三电容C3后与第一栅极电压Vgs1并联供电的串联的第六微带线TL6、第二电阻R2和第三微带线TL3，Vgs1＝-0.3V；

第一级漏极偏置网络3包括通过第二接口Cros2与第二十一微带线TL21连接的漏极第一支路、漏极第二支路和漏极第三支路，漏极第一支路包括由第六电压V6串联第六电容C6后再与第一漏极电压Vds1并联供电的串联的第二十四微带线TL24、第四电阻R4、第二十三微带线TL23、第二十二微带线TL22，Vds1＝3.2V；漏极第二支路包括由第七电压V7供电的串联的第二十五微带线TL25和第七电容C7；漏极第三支路包括由第八电压V8供电的串联的第八电容C8和第五电阻R5；

第二级栅极偏置网络7包括通过第三接口Cros3与第三十五微带线TL35连接的栅极第四支路、栅极第五支路和栅极第六支路，栅极第四支路包括由第十电压V10供电的串联的第十电容C10、第三十四微带线TL34、第六电阻R6、第三十一微带线TL31；栅极第五支路包括由第十一电压V11供电的串联的第三十二微带线TL32和第十二电容C12；栅极第六支路包括由第九电压V9串联第十一电容C11后与第二栅极电压Vgs2并联供电的串联的第三十三微带线TL33、第七电阻R7和第三十微带线TL30，Vgs2＝-0.3V；

第二级漏极偏置网络8包括通过第四接口Cros4与第四十五微带线TL45连接的漏极第四支路、漏极第五支路和漏极第六支路，漏极第四支路包括由第十六电压V16串联第十七电容C17后再与第二漏极电压Vds2并联供电的串联的第四十二微带线TL42、第十电阻R10、第四十三微带线TL43、第四十四微带线TL44，Vds＝3.5V；漏极第五支路包括由第十五电压V15供电的串联的第四十一微带线TL41和第十六电容C16；漏极第六支路包括由第十四电压V14供电的串联的第十五电容C15和第九电阻R9。

三级匹配网络包括输入级匹配网络、级间匹配网络以及输出级匹配网络：

输入级匹配网络包括由第十五微带线TL15和第十四微带线TL14串联的输入级开路枝节微带线结构11，输入级串联微带线结构12和第一传输线网13串联；输入级串联微带线结构12为第十二微带线TL12；输入级匹配网络与外部射频输入端口相连接，输入端口匹配到50Ω标准阻抗；

级间匹配网络包括级间串联电容15和级间开路短枝节微带线16串联；级间串联电容15为第九电容C9，级间开路短枝节微带线16包括第二十八微带线TL28连接成L型的微带短截线匹配结构；输出级匹配网络为微带单节短截线匹配网络，包括输出串联微带线17和输出开路短枝节微带线18，该输出串联微带线17包括第四十六微带线TL46和开路短枝节微带线18串联，该输出开路短枝节微带线18为第四十七微带线TL47；输出级匹配网络与外部射频输出端口相连接，输出端口匹配到50Ω标准阻抗。

射频信号输入到输入级匹配网络，通过第一传输线网13，即第一级栅极偏置网络2连接的λ/4传输线结构,使得输入的信号中的杂波以及非线性产物得以滤除，且插入损耗低，还可以起到射频隔离的作用，，有效地抑制带外杂散，在较宽的频带内显著提高低噪声放大器的线性度，提高增益平坦度，降低噪声系数；信号通过第一级场效应晶体管放大器1时，信号被放大，通过第二传输线网14，即第一级漏极偏置网络3连接的λ/4传输线结构,使得输入的信号中的杂波以及非线性产物得以进一步滤除，有效减小放大器频响的尖峰，进一步降低噪声系数，进入级间匹配网络，使得信号与第二级场效应晶体管放大器6进行匹配，信号再经过第二次放大，输入到输出级匹配网络，将信号以低噪声的状态放大输出。

附图1中的Tee1、Tee2、Tee3、Tee4、Tee5、Tee6、Tee7为三接头连接器，Bend1、Bend2、Bend3、Bend4、Bend5、Bend6、Bend7、Bend8、Bend9、Bend10、Bend11为二接头连接器，Cros1、Cros2、Cros3和Cros4为四接头连接器。

尽管上面对本实用新型说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本实用新型，但是本实用新型不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本实用新型精神和范围内，一切利用本实用新型构思的实用新型创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种Ka波段MMIC低噪声放大器，包括两级放大器、三级匹配网络，其特征在于：所述Ka波段MMIC低噪声放大器还包括λ/4传输线结构；

所述两级放大器包括第一级场效应晶体管放大器(1)、第一级栅极偏置网络、第一级漏极偏置网络(3)、及第一级源极的电阻(4)、第一源极电容(5)并联网络；还包括第二级场效应晶体管放大器(6)，第二级栅极偏置网络(7)，第二级漏极偏置网络(8)以及第二级源极的电阻(9)、第二源极的电容(10)并联网络；

所述λ/4传输线结构包括与所述第一级栅极偏置网络(2)连接的第一传输线网(13)，以及与所述第一级漏极偏置网络(3)连接的第二传输线网(14)，所述第一传输线网(13)及第二传输线网(14)包括多个串联的微带线；

所述第一级栅极偏置网络(2)包括栅极第一支路、栅极第二支路和栅极第三支路，所述栅极第一支路、栅极第二支路和栅极第三支路均通过第一接口与第二微带线连接；所述栅极第一支路包括由第五电压供电的串联的第四电容、第七微带线、第三电阻、第四微带线；所述栅极第二支路包括由第三电压供电的串联的第五微带线和第二电容；所述栅极第三支路包括由第四电压串联第三电容后与第一栅极电压并联供电的串联的第六微带线、第二电阻和第三微带线。

2.根据权利要求1所述的Ka波段MMIC低噪声放大器，其特征在于：所述第一级漏极偏置网络(3)包括漏极第一支路、漏极第二支路和漏极第三支路，所述漏极第一支路、漏极第二支路和漏极第三支路均通过第二接口与第二十一微带线连接；所述漏极第一支路包括由第六电压串联第六电容后再与第一漏极电压并联供电的串联的第二十四微带线、第四电阻、第二十三微带线、第二十二微带线；所述漏极第二支路包括由第七电压供电的串联的第二十五微带线和第七电容；所述漏极第三支路包括由第八电压供电的串联的第八电容和第五电阻。

3.根据权利要求1所述的Ka波段MMIC低噪声放大器，其特征在于：所述第二级栅极偏置网络(7)包括栅极第四支路、栅极第五支路和栅极第六支路，所述栅极第四支路、栅极第五支路和栅极第六支路均通过第三接口与第三十五微带线连接的所述栅极第四支路包括由第十电压供电的串联的第十电容、第三十四微带线、第六电阻、第三十一微带线；所述栅极第五支路包括由第十一电压供电的串联的第三十二微带线和第十二电容；所述栅极第六支路包括由第九电压串联第十一电容后与第二栅极电压并联供电的串联的第三十三微带线、第七电阻和第三十微带线。

4.根据权利要求1所述的Ka波段MMIC低噪声放大器，其特征在于：所述第二级漏极偏置网络(8)包括漏极第四支路、漏极第五支路和漏极第六支路，所述漏极第四支路、漏极第五支路和漏极第六支路均通过第四接口与第四十五微带线连接的所述漏极第四支路包括由第十六电压串联第十七电容后再与第二漏极电压并联供电的串联的第四十二微带线、第十电阻、第四十三微带线、第四十四微带线；所述漏极第五支路包括由第十五电压供电的串联的第四十一微带线和第十六电容；所述漏极第六支路包括由第十四电压供电的串联的第十五电容和第九电阻。

5.根据权利要求1-4任一所述的Ka波段MMIC低噪声放大器，其特征在于：所述三级匹配网络包括与所述第一传输线网(13)连接的输入级匹配网络、连接在所述第一级漏极偏置网络(3)和所述第二级栅极偏置网络(7)之间的级间匹配网络，以及与所述第二级漏极偏置网络(8)连接的输出级匹配网络；所述输入级匹配网络包括由第十五微带线和第十四微带线串联的输入级开路枝节微带线结构(11)，输入级串联微带线结构(12)和所述第一传输线网(13)串联；

所述级间匹配网络包括级间串联电容(15)和级间开路短枝节微带线(16)；

所述输出级匹配网络为微带单节短截线匹配网络，包括输出串联微带线(17)和输出开路短枝节微带线(18)。

6.根据权利要求5所述的Ka波段MMIC低噪声放大器，其特征在于：连接在所述第一级栅极偏置网络(2)的第一传输线网(13)包括串联的第九微带线、第十微带线和第十一微带线；连接在所述第一级漏极偏置网络(3)的第二传输线网(14)包括串联的十七微带线、第十八微带线和第十九微带线。

7.根据权利要求6所述的Ka波段MMIC低噪声放大器，其特征在于：所述第一级场效应晶体管放大器(1)为管芯尺寸为4×20μm赝调制掺杂异质结场效应晶体管，所述第二级场效应晶体管放大器(6)为管芯尺寸为4×50μm赝调制掺杂异质结场效应晶体管。

8.根据权利要求7所述的Ka波段MMIC低噪声放大器，其特征在于：所述赝调制掺杂异质结场效应晶体管的管芯为0.15-μm砷化镓管芯。