一种Ku波段的小型化低噪声放大器的制作方法

一种ku波段的小型化低噪声放大器
技术领域
1.本发明涉及信号收发技术领域，具体涉及一种ku波段的小型化低噪声放大 器。


背景技术：

2.随着通讯技术的快速发展，技术手段的提高，对通讯设备的集成化、系统化、 小型化要求越来越高。低噪声放大器(lna)广泛应用于雷达、通信及卫星接收 设备中，是微波接收系统中的重要组成部分。它位于接收机的最前端，要求有小 的噪声系数和一定的增益。在lna的设计中，不但要考虑放大器的稳定性、低 噪声系数，也要兼顾增益和幅频特性，是比较难于准确设计的部件。
3.本文基于微系统设计原则建立的整体集成小型化低噪声放大器，采用了塑封 的放大管芯和易于加工的软基片，在合理选择匹配结构的基础上，加入了低通滤 波器用来抑制带外干扰，并对各种指标进行优化设计，成本低且性能稳定可靠。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种ku波段的小型化低噪声放大器，适用于ku波 段卫星通信接收通道。小型化低噪声放大器基于微系统设计原则建立，采用两级 异质结fet管级联结构，在合理选择匹配结构的基础上加入低通滤波器用来抑 制带外干扰。对匹配电路进行优化设计，结果表明，该产品在工作频段12ghz 至13ghz范围内，噪声系数小于1.55db，增益大于24db，输入、输出匹配良好。
5.一种ku波段的小型化低噪声放大器，包括：级联的第一级放大电路、第二 级放大电路，以及分别对所述第一级放大电路与第二级放大电路进行偏置的偏置 电路，所述第一级放大电路与所述第二级放大电路之间设置有级间低通滤波器， 所述第二级放大电路输出端设置有输出低通滤波器。
6.进一步地，所述偏置电路采用双电源供电，即晶体管的栅极负电压和漏极正 电压分别由负电源和正电源提供，包括三极管q2、第一电源scr1、第二电源 scr2、电阻r3、电阻r4、电阻r6、电阻r7、电阻r1、电阻r5、电阻r2， 所述三极管q2的基极通过电阻r3与第一电源scr1的正极连接，三极管q2 的基极还通过电阻r4与第二电源scr2的正极连接，所述三极管q2的集电极 通过电阻r6与第一电源scr1的负极连接，所述三极管q2的集电极还通过依 次串联的电阻r7、电阻r1连接至第一级放大电路输入端，形成负偏置，所述三 极管q2的发射极通过依次串联的电阻r5、电阻r2连接至第一级放大电路输出 端，形成正偏置，所述第一电源scr1的正极与电阻r3的公共点连接到地，所 述第二电源scr2的负极连接到地。所述电阻r7、电阻r1的公共点通过电容 c5连接到地，所述电阻r5、电阻r2的公共点通过电容c6连接到地。
7.进一步地，所述在偏置电路的三极管q2集电极、发射极上分别采用高阻线 和扇形开路微带线形成第一扼流电路、第一馈电电路，所述第一扼流电路用来扼 制隔离交变电流，以阻止高频信号对直流电路的影响，所述第一扼流电路包括； 包括扇形微带线tl1、t型
微带线tl2、微带传输线tl3、组合传输结构tl4， 所述t型微带线tl2的1、2两端分别连接扇形微带线tl1、组合传输结构tl4 的一端，所所述t型微带线tl2的3端连接微带传输线tl3的一端。
8.进一步地，所述组合传输结构tl4包括弧形微带线tl401、中部微带传输 线lt402、弧形微带线lt403，弧形微带线lt401的两端分别与t型微带线lt2 的2端、中部微带传输线lt402的一端连接，弧形微带线lt403的两端分别与 中部微带传输线lt402的另一端、t型微带线lt5的3端连接。
9.进一步地，所述第一级放大电路采用异质结fet管nb1，所述异质结fet 管nb1的栅极、漏极分别连接有第一输入匹配电路、第一输出匹配电路，所述 第一输出匹配电路与所述第一输入匹配电路的电路结构相同。
10.进一步地，所述第一扼流电路通过微带传输线tl3连接偏置电路、第一扼 流电路通过第一输入匹配电路连接异质结fet管nb1的栅极。
11.进一步地，所述第一输入匹配电路包括与异质结fet管nb1的栅极依次串 联的微带传输线tl8、微带传输线tl7、t型微带线tl5、微带传输线tl6、以 及微带传输线tl7与微带传输线tl8之间并联连接的一段短截线tl9，所述t 型微带线tl5的3端连接组合传输结构tl4的另一端，在所述并联连接处连接 有用于防止阻抗大的跳变的t型微带线tl10。
12.进一步地，所述异质结fet管nb1的源级连接到地。
13.进一步地，所述第二级放大电路采用异质结fet管nb1，所述异质结fet 管nb1的栅极、漏极分别连接有第二输入匹配电路、第二输出匹配电路，所述 第二输入匹配电路、第二输出匹配电路分别与第一输入匹配电路、第一输出匹配 电路的电路结构相同。
14.进一步地，所述第二级放大电路输入端通过第一γ型匹配电路连接至级间低 通滤波器，第二级放大电路输出端通过第二γ型匹配电路连接至输出低通滤波器。
15.进一步地，所述级间低通滤波器以及输出低通滤波器，采用树桩型结构，包 括多段高阻抗微带线、多段低阻抗微带线以及多个匹配块；其中，高阻抗微带线 作为感性电路以串联形式连接电路中；低阻抗微带线作为容性电路以并联形式连 接电路中；高阻抗微带线与低阻抗微带线交替连接；匹配块形成在高阻抗微带线 与低阻抗微带线连接处。
16.进一步地，所述第二级放大电路的偏置电路、第二扼流电路、第二馈电电路 分别与第一级放大电路的偏置电路、第一扼流电路、第一馈电电路的电路结构相 同。
17.进一步地，所述低噪声放大器的输入形式为同轴探针垂直输入。
18.进一步地，所述馈电电路包括两条相互垂直的高阻抗微带线，所述垂直的交 点处设置有扇形开路支节。
19.所述ku波段小型化低噪声放大器因为偏置电路是并联在lna的传输线上， 必然对信号传输造成影响，因此在靠近传输线的位置需要加入扼流电路，通常由 一条四分之一波长传输线和一个分布式的扇形电容构成，来阻止高频信号对直流 电路的影响，防止其进入直流电路中，从而影响电路的性能。
20.ku波段小型化低噪声放大器的电源是通过每一级放大电路的输出端口的微 带线馈入的，因此与扼流电路类似，也需要设计高阻抗线和扇形电容的组合来防 止微波信号串入电源线，该种结构对主路信号的传输影响是相当小的。
21.发明具有的有益效果：
22.1、设计时，输入输出和两级之间采用叉指电容隔离直流；在直流偏置电路 中采用高阻线和扇形开路微带线形成一个扼流电路用来扼制隔离交变电流，以阻 止高频信号对直流电路的影响；并用负反馈的方法来增加放大器的稳定性；
23.2、结果表明，与单级放大器相比，两级级联放大器的噪声仅增加0.15db， 增益几乎是原始增益的两倍，增益平坦度小于0.65db，输入输出匹配良好。因 此，总体性能满足要求。
附图说明
24.图1为本发明的放大器级联示意图；
25.图2为本发明的判断稳定性电路图；
26.图3为本发明的判断稳定性结果示意图；
27.图4为本发明的lna有源偏置电路示意图；
28.图5为本发明的并联导纳匹配示意图；
29.图6为本发明的噪声匹配结果示意图；
30.图7为本发明的增益匹配结果示意图；
31.图8为本发明的低通滤波器拓扑示意图；
32.图9为本发明的单个低通滤波器仿真曲线示意图；
33.图10为本发明的两个低通滤波器级联仿真曲线示意图；
34.图11为本发明的同轴到微带垂直过渡结构；
35.图12为本发明的同轴到微带垂直过渡结构s11曲线示意图；
36.图13为本发明的馈电电路结构示意图；
37.图14为本发明的馈电电路s11曲线示意图；
38.图15为本发明的完整的lna电路示意图；
39.图16为本发明的两级级联放大器的仿真结果示意图；
40.图17为本发明的实施例的低噪声放大器示意图；
41.图18为本发明的实施例的基于偏置与匹配的第一级放大器示意图；
42.图19为本发明的实施例的基于偏置与匹配的第二级放大器示意图；
43.图20为本发明的实施例的扼流电路示意图；
44.图21为本发明的实施例的组合传输结构示意图；
45.附图标记：1-同轴探针头，2-微带线，3-扇形开路支节，4-相互垂直的高阻 抗微带线。
具体实施方式
46.下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方 式不限于此。
47.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、
ꢀ“
右”、“竖向”、“纵向”、“侧向”、“水平”、“内”、“外”、“前”、
ꢀ“
后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置 关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述 本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定
的方位、 以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
48.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设 置”、“开有”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是 固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电 连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的 连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中 的具体含义。
49.实施例
50.本文介绍的放大器为两级级联结构，输入端采用同轴接头到微带线垂直过渡 结构，级间和输出位置加入了低通滤波器用来抑制带外干扰，电源从输出端微带 线馈入。框图如图1所示，由放大管芯、匹配网络、偏置电路、过渡结构、馈电 电路和低通滤波器等组成。
51.(1)选择合适的器件及直流工作点
52.lna所能达到的实际指标很大程度上取决于所选取的放大管芯。根据对增 益和噪声的要求，以及应用的频段，在这里选择的是噪声系数很低的异质结fet 管ne3210s01，其在12ghz时的最小噪声典型值为0.35db，增益为13.5db，属 性能非常优良的一款。同时，厂家提供了放大管的设计工具箱，调用管子的模型， 进行直流和微波电路设计，非常方便。
53.设fn是第n级的噪声系数，gn是第n级的功率增益，那么有如下的噪声系 数级联公式：
[0054][0055]
由上式我们可以得出结论，第一级的噪声对整个链路的噪声影响是最大的， 越往后影响越小，因此第一级电路应该根据最小噪声系数来选取最佳的工作点， 第二级从最佳增益条件来考虑，同时兼顾噪声。
[0056]
(2)判断稳定性
[0057]
放大器电路必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性，稳定分为 绝对稳定和条件稳定。在设计中我们尽量保证放大器绝对稳定，如很难达到，则 必须通过适当的匹配电路避开放大器的不稳定区域。
[0058]
绝对稳定的判定标准如下：
[0059]
将放大器看作二端口网络，该网络由输入反射系数γin、源信号反射系数γ s、输出反射系数γout和负载反射系数γl确定。这四个反射系数是各自独立 的，由s参数确定。
[0060]
放大器内部存在反馈量s12，反馈系统必然会引起稳定性问题。如果反射系 数》1，则反射波幅度超过入射波，这说明电路出现正反馈，从而导致不稳定现象。 可以通过反射系数来判断放大器的稳定性。稳定意味着反射系数的模小于1。因 此有：
[0061]
|γs|＜1
[0062]
|γ
l
|＜1
[0063]
[0064][0065]
其中：
[0066]
δ＝s
11s22-s
21s12
[0067]
可以得到无条件稳定的充分必要条件为：
[0068]
1-|s
11
|2＞|s
12s21
|
[0069]
1-|s
22
|2＞|s
12s21
|
[0070]
k＞1
[0071]
其中：
[0072][0073]
进一步推导可得到
[0074][0075]
利用eda工具可以方便的看到管子的稳定性，如图2所示，ne3210s01在 本次设计工作频段内是稳定的。
[0076]
(3)设计直流偏置电路
[0077]
偏置电路的作用是给放大管芯馈直流电，同时对微波传输造成尽量小的影响。 偏置电路的种类和偏置方式有很多，本文选取的是源极接地，正负双电源供电， 增加一只三极管进行有源偏置，虽然结构比无源偏置复杂，但其能提供更为稳定 的工作点，并在负电压未加的情况下，保护放大管芯不致损坏。
[0078]
因为偏置电路是并联在lna的传输线上，必然对信号传输造成影响，因此 在靠近传输线的位置需要加入扼流网络，通常由一条四分之一波长传输线和一个 分布式的扇形电容构成。
[0079]
(4)设计匹配网络
[0080]
lna的设计主要是匹配网络的设计，对匹配网络的主要要求是：
[0081]
1、使有源器件的输入、输出阻抗与外界阻抗匹配。主要分为噪声匹配和增 益匹配。
[0082]
2、利用匹配网络调整传输函数，补偿放大管在宽频带内增益逐渐下降的趋 势。
[0083]
首先我们要根据匹配点的位置，合理的选择匹配网络的拓扑结构，不同的匹 配点相应的匹配结构会差别很大。ku波段宜使用分布参数的支节结构。本文先 用一段串接的微带传输线进行导纳变换，然后并联一个微带开路支节，用它的输 入导纳作为补偿电纳，以达到电路匹配，这种就是常用的并联导纳型匹配。
[0084]
对每一级放大器建立如下模型，匹配和偏置扼流电路全部在微带板上实现， 隔直电容用的是叉指电容，针对第一级的噪声和第二级增益设置不同的优化目标， 经过初次的优化，可以得到单级较好的仿真结果。
[0085]
2.2无源器件的设计
[0086]
(1)低通滤波器
[0087]
本文lna中需要加入低通滤波器抑制带外干扰信号，特性阻抗高的微带线 (感性)与特性阻抗低的微带线(容性)相连，就能得到了串联电感并联电容的 低通滤波器。选用树桩型电路结构，建立如下模型：
[0088]
一种低通滤波器，包括：采用树桩型结构，包括特性高阻抗微带线、特性低 阻抗微带线以及匹配块；其中，高阻抗微带线作为感性电路以串联形式链接电路 中；低阻抗微带线作为容性电路以并联形式链接电路中；高阻抗微带线与低阻抗 微带线交替连接；匹配块形成在高阻抗微带线与低阻抗微带线连接处。该器件的 体积小、设计过程简洁，性能指标高，节省材料，易于加工，且易于与其他微波 电路集成。
[0089]
如图8所述，其中：1-1、第一高阻抗微带线，1-2、第二高阻抗微带线，1-3、 第三高阻抗微带线，1-4、第四高阻抗微带线，2-1、第一低阻抗微带线，2-2、第 二低阻抗微带线，2-3、第三低阻抗微带线，3-1、第一匹配块，3-2、第二匹配块。
[0090]
仿真结果如图9，可以看到带内回波损耗在-20db以下，而右端阻带部分抑 制度在15db以上，满足了使用要求。实际电路中分开放置了两个相同的滤波器， 通过仿真，级联的阻带抑制可以达到35db以上。
[0091]
(2)同轴到微带的垂直过渡
[0092]
出于与天线物理连接方便的缘故，lna的输入形式为同轴探针垂直输入， 为了保证尽量小的引入失配，降低插入损耗，本文专门对此过渡结构进行了分析 优化。建立了如下模型，并得出了较好的结果，在工作频段回波损耗保持-20db 以下。
[0093]
(3)同轴到微带的垂直过渡
[0094]
lna放大器的电源是通过输出端口的微带线馈入的，因此与偏置电路类似， 也需要设计高阻抗线和扇形电容的组合来防止微波信号串入电源线，单独的建立 对应的电路模型如下，可见该种结构对主路信号的传输影响是相当小的。
[0095]
2.3整体电路的设计
[0096]
分立的各单元虽然仿真结果很好，但是各部分级联起来有可能出现谐振点， 性能受到恶化，因此最后我们要建立整体电路的模型，滤波器、馈电结构和过渡 结构的模型用s2p文件导入，对各个变量进行微调，模型和仿真结果如下：
[0097]
仿真后，两级级联放大器的性能参数如图16所示。结果表明，与单级放大 器相比，两级级联放大器的噪声仅增加0.15db，增益几乎是原始增益的两倍， 增益平坦度小于0.65db，输入输出匹配良好。因此，总体性能满足要求。
[0098]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限 制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的 任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。