CN210120538U - 一种Ka波段高性能低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种Ka波段高性能低噪声放大器，包括依次连接的第一阻抗匹配网络、场效应管Q1、第二阻抗匹配网络、场效应管Q2、第三阻抗匹配网络、场效应管Q3、微带线TL5、电容C8，和微带线TLS，所述场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3的栅极和漏极均分别设有栅极偏置电路和漏极偏置电路，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，所述微带线TLS为6个，两两并联后一端分别接场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3的源极，另一端接地。本实用新型的拓扑结构采用3级放大，可以实现较大增益，并且尺寸小；整个信号通路采用电容和微带线进行阻抗匹配。

Description

一种Ka波段高性能低噪声放大器

技术领域

本实用新型涉及无线通信技术领域，具体的涉及一种Ka波段高性能低噪声放大器。

背景技术

随着无线通信的发展，Ka波段系统得到了广泛的应用，如汽车防撞雷达、测试雷达、精确制导等等。但是Ka波段系统的成本较高，国内成熟的产品也不多。但是，随着技术的发展尤其是MMIC芯片的发展Ka波段系统的成本将会大大降低。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各种先进相控阵雷达，特别是机载和星载雷达。随着5G通信技术的发展，毫米波通信频段一部分在未来会进入民用范畴，因此对于研究该频段的T/X芯片变得尤为重要。

在此前提下，人们对于无线系统的射频接收机提出了越来越高的要求，如低功耗、低噪声、高灵敏度和高性能等。因此，处于微波射频接收器系统最前端的低噪声放大器，对于提高系统性能起到了关键性的作用。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供一种Ka波段高性能低噪声放大器，目的在于该放大器实现较大增益，并且尺寸小；整个信号通路采用电容和微带线进行阻抗匹配。

本实用新型采用下述的技术方案：

一种Ka波段高性能低噪声放大器，包括依次连接的第一阻抗匹配网络、场效应管Q1、第二阻抗匹配网络、场效应管Q2、第三阻抗匹配网络、场效应管Q3、微带线TL5、电容C8，和微带线TLS，所述场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3的栅极和漏极均分别设有栅极偏置电路和漏极偏置电路，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，所述微带线TLS为6个，两两并联后一端分别接场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3的源极，另一端接地，所述第一阻抗匹配网络的输入端与外电路的输出端相连，所述第三阻抗匹配网络的输出端与外电路的输入端相连。

优选的，所述第一阻抗匹配网络包括电容C1、微带线TL1、电容C2，所述电容C1与微带线TL1串联，电容C2的一端连接在电容C1与微带线TL1之间，另一端接地。

优选的，所述第二阻抗匹配网络包括电容C3、微带线TL2、电容C4，所述电容C3与微带线TL2串联，电容C4的一端连接在电容C3与微带线TL2之间，另一端接地。

优选的，所述第三阻抗匹配网络包括电容C5、电容C6、电容C7、电阻R1、微带线TL4，所述电容C6、电容C7、电阻R1、微带线TL4依次串联连接，电容C5的一端连接在电容C6与电容C7之间，电容C5的另一端设有微带线TL3，所述微带线TL3的另一端接地。

优选的，所述栅极偏置电路包括微带线TLg、电阻Rg1、电容Cg1、电阻Rg，所述微带线TLg、电阻Rg1串联连接，所述电容Cg1、电阻Rg的一端均连接在微带线TLg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。

优选的，所述漏极偏置电路包括依次串联连接的电容Cd2、电阻Rd、微带线TLd，所述电阻Rd与微带线TLd之间设有电容Cd1，所述电容Cd1、电容Cd2的另一端均接地。

本实用新型的有益效果是：

1)、本实用新型通过设计优化，支持大电感的金丝做为键合线；

2)、本实用新型的拓扑结构采用3级放大，可以实现较大增益，并且尺寸小；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；

3)、本实用新型中的场效应管源端采用微带线代替传统的电阻，完成噪声和增益的调节同时完成源端到地的连接。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的一些实施例，而非对本实用新型的限制。

图1是本实用新型信号通路结构示意图。

图2是本实用新型电路结构结构示意图。

图3是本实用新型的栅极偏置电路结构示意图。

图4是本实用新型的漏极偏置电路结构示意图。

图5是本实用新型的第一阻抗匹配网络结构示意图。

图6是本实用新型的第二阻抗匹配网络结构示意图。

图7是本实用新型的第三阻抗匹配网络结构示意图。

图8是本实用新型封装成芯片后的通孔结构俯视图。

图9是本实用新型封装成芯片后俯视图。

图10是本实用新型噪声系数图。

图11是本实用新型的增益示意图。

图12是本实用新型的输入回波。

图13是本实用新型的输出回波。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

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实用新型进一步说明。

如图1至图8所示，一种Ka波段高性能低噪声放大器，包括依次连接的第一阻抗匹配网络、场效应管Q1、第二阻抗匹配网络、场效应管Q2、第三阻抗匹配网络、场效应管Q3、微带线TL5、电容C8，和微带线TLS，所述场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3的栅极和漏极均分别设有栅极偏置电路和漏极偏置电路，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，所述微带线TLS为6个，两两并联后一端分别接场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3的源极，另一端接地，所述第一阻抗匹配网络的输入端与外电路的输出端相连，所述第三阻抗匹配网络的输出端与外电路的输入端相连。

所述第一阻抗匹配网络、第二阻抗匹配网络和第三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，减少能量反射损耗。

所述第一阻抗匹配网络包括电容C1、微带线TL1、电容C2，所述电容C1与微带线TL1串联，电容C2的一端连接在电容C1与微带线TL1之间，另一端接地。其中电容C1、C2和微带线TL1用来完成50欧姆阻抗到场效应管Q1(第一级放大器)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。

所述第二阻抗匹配网络包括电容C3、微带线TL2、电容C4，所述电容C3与微带线TL2串联，电容C4的一端连接在电容C3与微带线TL2之间，另一端接地。其中电容C3、C4和微带线TL2用来完成场效应管Q1(第一级放大器)输出阻抗到场效应管Q2(第二级放大器)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。

所述第三阻抗匹配网络包括电容C5、电容C6、电容C7、电阻R1、微带线TL4，所述电容C6、电容C7、电阻R1、微带线TL4依次串联连接，电容C5的一端连接在电容C6与电容C7之间，电容C5的另一端设有微带线TL3，所述微带线TL3的另一端接地。其中电容C5、C6和微带线TL3用来完成场效应管Q2(第二级放大器)输出阻抗到场效应管Q3(第三级放大器)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C7、电阻R1和微带线TL4用来调整整个放大器的增益平坦度。微带线L5及电容C8是完成场效应管Q3(第三级放大器)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，如图1所示。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。图2所示，为第一、二、三级的管芯(场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3)反馈模型，这几级噪声影响并不相同；图2所示，场效应管Q1的源端反馈模型，场效应管Q1对噪声影响最大，主要更侧重于降低噪声。

所述栅极偏置电路包括微带线TLg、电阻Rg1、电容Cg1、电阻Rg，所述微带线TLg、电阻Rg1串联连接，所述电容Cg1、电阻Rg的一端均连接在微带线TLg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TLg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依次串联连接的电容Cd2、电阻Rd、微带线TLd，所述电阻Rd与微带线TLd之间设有电容Cd1，所述电容Cd1、电容Cd2的另一端均接地。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；微带线TLg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，本实用新型封装成芯片后，芯片使用如图8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9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。

本实用新型封装成芯片后，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。图11所示为本实用新型的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，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，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，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种Ka波段高性能低噪声放大器，其特征在于，包括依次连接的第一阻抗匹配网络、场效应管Q1、第二阻抗匹配网络、场效应管Q2、第三阻抗匹配网络、场效应管Q3、微带线TL5、电容C8，和微带线TLS，所述场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3的栅极和漏极均分别设有栅极偏置电路和漏极偏置电路，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，所述微带线TLS为6个，两两并联后一端分别接场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3的源极，另一端接地，所述第一阻抗匹配网络的输入端与外电路的输出端相连，所述第三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Ka波段高性能低噪声放大器，其特征在于，所述第一阻抗匹配网络包括电容C1、微带线TL1、电容C2，所述电容C1与微带线TL1串联，电容C2的一端连接在电容C1与微带线TL1之间，另一端接地。

3.根据权利要求1所述的一种Ka波段高性能低噪声放大器，其特征在于，所述第二阻抗匹配网络包括电容C3、微带线TL2、电容C4，所述电容C3与微带线TL2串联，电容C4的一端连接在电容C3与微带线TL2之间，另一端接地。

4.根据权利要求1所述的一种Ka波段高性能低噪声放大器，其特征在于，所述第三阻抗匹配网络包括电容C5、电容C6、电容C7、电阻R1、微带线TL4，所述电容C6、电容C7、电阻R1、微带线TL4依次串联连接，电容C5的一端连接在电容C6与电容C7之间，电容C5的另一端设有微带线TL3，所述微带线TL3的另一端接地。

5.根据权利要求1所述的一种Ka波段高性能低噪声放大器，其特征在于，所述栅极偏置电路包括微带线TLg、电阻Rg1、电容Cg1、电阻Rg，所述微带线TLg、电阻Rg1串联连接，所述电容Cg1、电阻Rg的一端均连接在微带线TLg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。

6.根据权利要求1所述的一种Ka波段高性能低噪声放大器，其特征在于，所述漏极偏置电路包括依次串联连接的电容Cd2、电阻Rd、微带线TLd，所述电阻Rd与微带线TLd之间设有电容Cd1，所述电容Cd1、电容Cd2的另一端均接地。

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