超宽带低噪声放大器、射频微波前端电路和无线通信设备的制作方法

1.本实用新型涉及射频微波领域，尤其涉及超宽带低噪声放大器、射频微波前端电路和无线通信设备。


背景技术：

2.随着雷达、卫星通信技术的发展，及系统集成度的提高均要求器件向小型化发展。射频前端作为现代电子系统的一个重要组成部分，射频前端芯片发挥的作用越来越大，对射频微波前端芯片的要求也是越来越高，高速、超宽带、高频、低功耗、超小体积封装的低噪声放大器已经成为研究的重点。
3.射频微波前端电路作为电子系统的一个重要组成部分，被广泛应用于多波束雷达、相控阵雷达、电子对抗、微波测量、无线通讯，还有在军事用途上亦可运用于飞行体的寻标器、近发引信、导弹的精确制导。
4.此外，随着无线通讯技术的不断发展，从军用到民用，从过去的蓝牙、wifi、zigbee到如今的5g通讯、nb-iot、lora等，无线通讯应用领域不断扩展延伸，整个行业向着更高的频段，更高的传输率，更广的覆盖范围，更强的兼容性发展。这些都对无线系统提出了更高的要求，其中一个关键点就是拓展设备带宽。设备的带宽大小取决于接收机前端第一级有源低噪声放大器的最大带宽，因此在这样的发展驱使下对宽带低噪声放大器的需求不断扩大。
5.因此，针对上述问题，提供一种高线性度的超宽带低噪声放大器、射频微波前端电路和无线通信设备，是本领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超宽带低噪声放大器、射频微波前端电路和无线通信设备。
7.本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：
8.本实用新型的第一方面，提供一种超宽带低噪声放大器，包括：
9.输入端input，与输入隔直电容c
in
连接；输出端output，与输出隔直电容c
out
连接；
10.晶体管q1、晶体管q2和晶体管q3，晶体管q1的基极与输入隔直电容c
in
连接，晶体管q1的发射极与晶体管q2的基极连接，晶体管q2的发射极接地，晶体管q2的集电极与晶体管q3的发射极连接，晶体管q3的集电极与输出隔直电容c
out
连接；晶体管q1的发射极还接地；
11.第一匹配电阻r
b1
和第二匹配电阻r
b2
，第一匹配电阻r
b1
位于第一公共连接点和第二公共连接点之间，第二匹配电阻r
b2
位于第一公共连接点和接地端之间；所述第一公共连接点为晶体管q1的基极与输入隔直电容c
in
之间的公共连接点，所述第二公共连接点为晶体管q3的集电极与输出隔直电容c
out
之间的公共连接点；
12.有源偏置电路，位于晶体管q1的集电极和晶体管q3的基极之间，并与第三公共连接点连接；所述第三公共连接点为第一匹配电阻r
b1
与输出隔直电容c
out
之间的公共连接点；
13.电源v
cc
，通过电感l与第二公共连接点连接。
14.进一步地，所述放大器还包括：
15.跟随电阻re，晶体管q1的发射极还通过跟随电阻re接地。
16.进一步地，所述有源偏置电路包括：
17.晶体管q4和晶体管q5，晶体管q4的集电极与晶体管q3的基极连接，晶体管q4的集电极还通过接地电容c接地，晶体管q4的基极与晶体管q4的发射极连接，晶体管q4的发射极与第三公共连接点连接；晶体管q5的发射极与晶体管q1的集电极连接，晶体管q5的基极与晶体管q4的集电极连接，晶体管q4的集电极与第三公共连接点连接。
18.进一步地，晶体管q4的发射极通过电阻r与第三公共连接点连接。
19.进一步地，晶体管q4和晶体管q5为npn型三极管。
20.进一步地，晶体管q1、晶体管q2和晶体管q3为npn型三极管。
21.本实用新型的第二方面，提供一种射频微波前端电路，包括所述的超宽带低噪声放大器。
22.本实用新型的第三方面，提供一种无线通信设备，包括所述的射频微波前端电路。
23.进一步地，所述无线通信设备为蓝牙通信设备、wifi通信设备、zigbee通信设备、5g通信设备、nb-iot通信设备或lora通信设备。
24.进一步地，所述输入端input连接天线。
25.本实用新型的有益效果是：
26.（1）在本实用新型一示例性实施例中，放大器采用了晶体管q1和晶体管q2组成的达林顿复合放大、晶体管q2和晶体管q3组成的共射共基复合放大的这种达林顿-共射共基的复合结构。达林顿结构大大提高了放大器的电流放大倍数，保证了放大器的高增益特性，共射共基结构作为提供负载信号的放大级，保证了放大器的输出功率进而提高放大器的线性度；同时共射共基结构具备很好的宽带输出阻抗特性，提高了放大器输出匹配的宽带特性。
27.同时，电阻r
b1
和电阻r
b2
组成的电阻匹配方式为超宽带输入匹配网络，实现了超宽频带内的输入匹配。其直接调节输入阻抗为50欧姆，能在超宽频带内满足输入阻抗匹配，从而提高了放大器输入匹配的超宽带特性。有源偏置电路利用有源管的电流电压特性在输入信号波动时调节放大晶体管的偏置电压从而达到稳定静态工作点的作用。
28.射频微波前端电路和无线通信设备也具有相同的优点，在此不进行赘述。
29.（2）在本实用新型又一示例性实施例中，放大网络中晶体管q1的发射极通过跟随电阻re串联接地，跟随电阻re具备负反馈的作用，提高了晶体管q1静态工作点的稳定，同时减小了晶体管q1的miller电容对电路带宽的影响，从而改善电路的高频性能。
30.（3）在本实用新型又一示例性实施例中，公开了有源偏置电路的具体实现方式，晶体管q4和晶体管q5组成的有源偏置电路利用有源管的电流电压特性在输入信号波动时调节放大晶体管的偏置电压从而达到稳定静态工作点的作用。
附图说明
31.图1为本实用新型的一示例性实施例提供的一种超宽带低噪声放大器的电路连接示意图；
32.图2为本实用新型的又一示例性实施例提供的一种超宽带低噪声放大器的电路连
的发射极连接，晶体管q3的集电极与输出隔直电容c
out
连接；晶体管q1的发射极还接地；
45.第一匹配电阻r
b1
和第二匹配电阻r
b2
，第一匹配电阻r
b1
位于第一公共连接点和第二公共连接点之间，第二匹配电阻r
b2
位于第一公共连接点和接地端之间；所述第一公共连接点为晶体管q1的基极与输入隔直电容c
in
之间的公共连接点，所述第二公共连接点为晶体管q3的集电极与输出隔直电容c
out
之间的公共连接点；
46.有源偏置电路，位于晶体管q1的集电极和晶体管q3的基极之间，并与第三公共连接点连接；所述第三公共连接点为第一匹配电阻r
b1
与输出隔直电容c
out
之间的公共连接点；
47.电源v
cc
，通过电感l与第二公共连接点连接。
48.具体地，在本示例性实施例，外部信号由输入端input输入，经过输入隔直电容c
in
过滤掉直流分量；之后，交流信号进入晶体管q1的基极，经过晶体管q1进行电流放大由晶体管q1的发射极引出放大后的信号；然后，信号导入晶体管q2的基极，经由晶体管q2进一步放大信号电流，由晶体管q2的集电极引出；再然后，引出后的信号导入晶体管q3的发射极做小范围的信号放大，之后由晶体管q3的集电极引出放大后的信号，经由输出隔直电容c
out
过滤掉电路中产生的直流分量，信号由输出端output输出。电源v
cc
向晶体管q3的
49.其中，需要说明的是：
50.（1）晶体管q1和晶体管q2组成的达林顿复合放大网络，通过晶体管q1放大的信号射基输出电流驱动晶体管q2的基极进行信号叠加放大，获得了超高的信号增益。同时，晶体管q2和晶体管q3组成共射共基复合放大电路，通过晶体管q2和晶体管q3共射共基联合放大输出信号提高了信号输出的功率，提高了放大器芯片的工作线性度，同时共射共基复合放大的方式本身具有输出超宽频带匹配的特点，因此兼具完成放大器输出匹配网络的功能。
51.也就是说，本示例性实施例中采用了晶体管q1和晶体管q2组成的达林顿复合放大、晶体管q2和晶体管q3组成的共射共基复合放大的这种达林顿-共射共基的复合结构。达林顿结构大大提高了放大器的电流放大倍数，保证了放大器的高增益特性，共射共基结构作为提供负载信号的放大级，保证了放大器的输出功率进而提高放大器的线性度。同时共射共基结构具备很好的宽带输出阻抗特性，提高了放大器输出匹配的宽带特性。
52.（2）采用如图1中所示的电阻r
b1
和电阻r
b2
组成的电阻匹配方式为超宽带输入匹配网络，电阻元件的寄生电抗较小，相对频率变化的敏感性大大降低，可在较宽频带内实现输入的阻抗匹配。其直接调节输入阻抗为50欧姆，能在超宽频带内满足输入阻抗匹配，从而提高了放大器输入匹配的超宽带特性。
53.（3）有源偏置电路利用有源管的电流电压特性在输入信号波动时调节放大晶体管的偏置电压从而达到稳定静态工作点的作用。
54.更优地，在一示例性实施例中，如图1所示，所述放大器还包括：
55.跟随电阻re，晶体管q1的发射极还通过跟随电阻re接地。
56.在前述示例性实施例中，不具备跟随电阻re的晶体管q1需要接地，但容易存在不稳定自激的现象，跟随电阻re可以调节这个现象。具体地，在该示例性实施例中，该放大网络中晶体管q1的发射极通过跟随电阻re串联接地，跟随电阻re具备负反馈的作用，提高了晶体管q1静态工作点的稳定，同时减小了晶体管q1的miller电容对电路带宽的影响，从而改善电路的高频性能。
57.更优地，在一示例性实施例中，如图2所示，所述有源偏置电路包括：
58.晶体管q4和晶体管q5，晶体管q4的集电极与晶体管q3的基极连接，晶体管q4的集电极还通过接地电容c接地，晶体管q4的基极与晶体管q4的发射极连接，晶体管q4的发射极与第三公共连接点连接；晶体管q5的发射极与晶体管q1的集电极连接，晶体管q5的基极与晶体管q4的集电极连接，晶体管q4的集电极与第三公共连接点连接。
59.具体地，在该示例性实施例中，晶体管q4和晶体管q5组成的有源偏置电路，在电路电流增大时，晶体管q4和晶体管q5的电流也增大，晶体管q4和晶体管q5的分压增大，导致放大管的电压减小，从而降低电流。也就是说，利用有源管的电流电压特性在输入信号波动时调节放大晶体管的偏置电压从而达到稳定静态工作点的作用。
60.更优地，在一示例性实施例中，如图2所示，晶体管q4的发射极通过电阻r与第三公共连接点连接。
61.具体地，在该示例性实施例中，电阻r与晶体管q4共同组成电路中电阻，从而调节晶体管q3的基极静态电流，满足电路设计要求的电流值。
62.更优地，在一示例性实施例中，如图1和图2所示，晶体管q4和晶体管q5为npn型三极管。更优地，在一示例性实施例中，如图1和图2所示，晶体管q1、晶体管q2和晶体管q3为npn型三极管。
63.参见图3~图5，分别示出了上述示例性实施例中超宽带低噪声放大器的电路的测试原理图，工作频段覆盖0.5-5ghz。其中，图3为测试噪声系数测试图，噪声平均值为3db，其中：图3的横坐标freq表示工作频段的频率值，单位为ghz；图3的纵坐标nf表示噪声，单位为db。图4为oip3测试图，oip3平均高于25db，其中：图4的横坐标freq表示工作频段的频率值，单位为ghz；图4的纵坐标oip3表示三阶输出截点，单位为db。图5为增益测试图，5ghz以内增益大于14db，随着频率升高增益下降,其中：图5的横坐标freq表示工作频段的频率值，单位为ghz；图5的纵坐标gain表示增益值，单位为db。
64.另外，由上述示例性实施例中超宽带低噪声放大器组成的整颗芯片尺寸为0.75mm*0.7mm，芯片面积极小。该芯片具有工作频段宽、噪声低、线性度高、增益高一级尺寸小等特点。是一款适用于超宽带的高线性度低噪声放大器芯片。
65.本实用新型的又一示例性实施例提供一种射频微波前端电路，包括上述任一示例性实施例中所述的高线性度的超宽带低噪声放大器。
66.本实用新型的又一示例性实施例提供提供一种无线通信设备，包括上述任一示例性实施例中所述的所述的射频微波前端电路。
67.更优地，在一示例性实施例中，所述无线通信设备为蓝牙通信设备、wifi通信设备、zigbee通信设备、5g通信设备、nb-iot通信设备或lora通信设备。
68.也就是说，本示例性实施例的无线通信设备可适用于各种不同类型的无线通信设备。
69.更优地，在一示例性实施例中，所述输入端input连接天线。
70.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。