基于十字结式微带匹配的并联负反馈超宽带低噪声放大器

1.本发明属于射频技术领域，涉及一种基于十字结式微带匹配的并联负反馈超宽带低噪声放大器。


背景技术：

2.近年来随着通信技术的迅猛发展，新一代通信技术5g进入商用阶段，对射频前端系统的要求也越来越高。5g通信系统对数据的传输速率有更高的要求，这使得无线通信系统的带宽成为关键指标，这也意味着射频系统前端的低噪声放大器的带宽也必须足够大。低噪声放大器作为无线接收机的核心器件，它的噪声性能将直接影响整个系统的噪声特性，在设计低噪声放大器时噪声性能也是另外一项关键性指标。因此如何在维持放大器噪声性能的同时设计出带宽较宽的低噪声放大器成为了当前无线通信系统领域较为热门的问题。
3.然而在传统的低噪声放大器的设计中，通常有着较好的噪声性能，但是带宽较窄。目前实现宽带的拓扑结构在增益、频宽、噪声、功耗方面存在一定的缺陷。传统的拓扑结构电路设计复杂度较高，电路体积较大，且很难实现超宽带的性能。
4.故，针对目前技术中存在的上述缺陷，有必要进行研究和改进，以提供一种新的拓扑结构来实现超宽带低噪声放大器的设计，解决现有技术中存在的缺陷。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明的技术方案为：一种基于十字结式微带匹配的并联负反馈超宽带低噪声放大器，包括十字结式输入匹配网络、分段式负反馈放大电路和十字结式输出匹配网络，其中，
6.所述十字结式输入匹配网络的输入连接射频信号，输出连接分段式负反馈放大电路，分段式负反馈放大电路将接收到的射频信号进行放大并经过所述十字结式输出匹配网络的两个端口输出；
7.所述分段式负反馈放大电路包括栅极直流偏置电路、晶体管、漏极直流偏置电路、并联负反馈电路，其中，
8.所述栅极直流偏置电路和漏极直流偏置电路分别与晶体管的栅极和漏极相连接，用于提供工作电压以及阻断射频信号流入电源；所述并联负反馈电路通过在晶体管漏极和栅极之间并联电容、电感和微带线来实现宽带特性。
9.优选地，所述十字结式输入匹配网络采用十字结式微带结构，包括微带线tl1、tl2、tl3、tl4和隔直电容c1；其中微带线tl1、tl2和tl3为串联微带线，tl4为并联微带线，四根微带线的一端通过同一个十字结连接，第一微带线tl1的另一端与隔直电容c1相连接，第二微带线tl2的另一端与栅极直流偏置电路相连接，第三微带线tl3的另一端与栅极直流偏置电路相连接，第四微带线tl4为终端开路。
10.优选地，所述十字结式输入匹配网络中的微带线tl1与微带线tl2对低频敏感抑制
低频信号，微带线tl3和微带线tl4对高频敏感抑制高频信号。
11.优选地，所述并联负反馈电路包括微带线tl5、tl6、tl7、反馈电阻r1和反馈电容c2，其中，微带线tl5的一端与栅极直流偏置电路相连接，微带线tl5的另一端与反馈电阻r1的一端相连接，反馈电阻r1的另一端与微带线tl6的一端相连接，微带线tl6的另一端与隔直电容c2的一端相连接，隔直电容c2的另一端与微带线tl7的一端连接，微带线tl7的另一端与漏极直流偏置电路连接。
12.优选地，所述并联负反馈电路中的微带线tl5和tl7用于调节并联负反馈电路尺寸，在结构上给晶体管空间，微带线tl6用于调节并联负反馈电路的频率响应量，反馈电阻r1用于调节反馈量。
13.优选地，所述十字结式微带输出匹配网络包括微带线tl8、稳定电阻r2和四条呈十字结式的微带线tl9、tl10、tl11和tl12，其中，微带线tl8的一端与漏极直流偏置电路相连接，微带线tl8的另一端与稳定电阻r2的一端连接，稳定电阻r2的另一端与微带线tl9相连接，微带线tl9、tl10、tl11和tl12的一端连接在一起呈十字结式，微带线tl10的另一端与漏极直流偏置电路相连接，微带线tl11的另一端与隔直电容c3相连接，c3的另一端与输出微带线相连接，微带线tl12为终端开路并联微带线。
14.优选地，所述晶体管为ingaas hemt晶体管，型号为mgf4941al。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
16.本发明本发明提供一种基于十字结式微带匹配的并联负反馈超宽带低噪声放大器，通过在输入输出匹配网络中添加十字结式拓扑结构，通过两组分别对高频敏感和低频敏感的微带线，来实现超宽带范围的阻抗变换。通过在晶体管的漏极和栅极之间并联电阻、电容和电感，无需设计额外的反馈结构，不仅降低了电路结构的复杂度和设计尺寸，而且对电路的噪声进行有效的抑制，实现很高的增益平坦度，同时降低了生产成本。。
附图说明
17.图1是本发明实施例的基于十字结式微带匹配的并联负反馈超宽带低噪声放大器结构框图；
18.图2是本发明实施例的基于十字结式微带匹配的并联负反馈超宽带低噪声放大器的单级电路图；
19.图3是本发明实施例的基于十字结式微带匹配的并联负反馈超宽带低噪声放大器的输入匹配网络电路图；
20.图4是本发明实施例的基于十字结式微带匹配的并联负反馈超宽带低噪声放大器的并联负反馈结构电路图；
21.图5是本发明实施例的基于十字结式微带匹配的并联负反馈超宽带低噪声放大器的的三级完整电路图；
22.图6是本发明实施例的基于十字结式微带匹配的并联负反馈超宽带低噪声放大器的s参数仿真结果图；
23.图7是本发明实施例的基于十字结式微带匹配的并联负反馈超宽带低噪声放大器的噪声系数仿真结果图。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
25.相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
26.为了克服现有技术的缺陷，参见图1，所示为本发明基于十字结式微带匹配的并联负反馈超宽带低噪声放大器结构框图，包括依次连接的十字结式微带输入匹配电路10、分段式并联负反馈放大电路20和十字结式微带输出匹配电路30，其中射频信号连接十字结式微带输入匹配电路10的输入端口，输出端口连接分段式并联负反馈放大电路20，分段式并联负反馈放大电路20将射频小信号进行放大输送给十字结式微带输出匹配电路30，最后射频信号通过十字结式微带输出匹配电路30的输出端口输出；十字结式微带输入匹配电路10和十字结式微带输出匹配电路30既起到阻抗匹配的作用，还具备宽带带通滤波器的选频特性，滤除带外的干扰信号。
27.参见图2，所示为本发明实施例的基于十字结式微带匹配的并联负反馈超宽带低噪声放大器的电路图，十字结式微带输入匹配电路10包括微带线tl1、tl2、tl3、tl4、tl1、隔直电容c1；其中tl1、tl2和tl3为串联微带线，tl4为并联微带线，四根微带线的一端通过同一个十字结连接，第一微带线tl1的另一端与隔直电容相连接，第二微带线tl2的另一端与栅极直流偏置电路22相连接，第三微带线tl3的另一端与栅极直流偏置电路22相连接，第四微带线tl4采用终端开路并联微带线。分段式并联负反馈放大电路20通过在晶体管21的漏极和栅极之间并联电容、电感和微带线来实现宽带特性，包括微带线tl5、tl6、tl7、反馈电阻r1和反馈电容c2，其中微带线tl5的一端与栅极直流偏置电路22相连接，微带线tl5的另一端与反馈电阻r1相连接，反馈电阻r1的另一端与微带线tl6的一段相连接，微带线tl6的另一端与隔直电容c2相连接，隔直电容c2的另一端与微带线tl7连接，微带线tl7的另一端与漏极直流偏置电路23连接。十字结式微带输出匹配电路30包含稳定电阻r2和四条上下左右对称的微带线，其中，微带线tl8的一端与漏极直流偏置电路23相连接，微带线的另一端与稳定电阻r2的一端连接，稳定电阻r2的另一端与匹配微带线tl9相连接，匹配微带线tl9、tl10、tl11和tl12的一段连接在一起，微带线tl10的另一端与漏极直流偏置电路23相连接，微带线tl11的另一端与隔直电容c3相连接，c3的另一端与输出微带线相连接，微带线tl12为终端开路并联微带线。
28.参见图3，所示为本发明实施例的基于十字结式微带匹配的并联负反馈超宽带低噪声放大器的漏极并联负反馈拓扑结构，对于低阶系统来说，增益和宽带的乘积是一个常数，增益为：
[0029][0030]
其中，w
p
和ai是极角频率和中频增益，当系统引入反馈网络时，反馈增益为：
[0031][0032]
ω
pf
＝ω
p
(1 k
fai
)
[0033][0034]
f＝1 k
fai
是反馈lna的反馈深度，kf是反馈常数，a
п
是宽带增益，随着kf的提高，a
п
减小并且ω
pf
增加，决定了负反馈放大器拓扑结构的宽带特性。
[0035]
假设晶体管的栅源电容为无穷大，输入输出阻抗关系为：
[0036][0037][0038]
其中，rs为源阻抗，r
l
为负载阻抗，rf是反馈电阻，r1是连接到晶体管源端的电阻，gm是晶体管的跨导，如果源和负载阻抗都等于r0，那么当输入和输出阻抗同时匹配的时候，rin和rout均应为r0结合6 7我们可以得到：
[0039]
(1 gmr1)rf＝g
mr02
[0040]
参见图4，所示为本发明实施例的基于十字结式微带匹配的并联负反馈超宽带低噪声放大器匹配网络集中参数原件模型和传输线模型，考虑到电容和电感的寄生效应，所以在匹配电路中，需要将电容和电感转换成微带线的形式。根据串联电感、电容和并联电感、电容所对应的转移矩阵，由双端口理论可知该电路的转移矩阵为：
[0041][0042]
由双端口理论可知，一段长度为l特征阻抗为z0的无耗传输线的转移矩阵为
[0043][0044]
其中，β为传输常数，当特征阻抗z0比较高的时候，传输线的转移矩阵与串联电感转移矩阵的形式一致，当特征阻抗z0比较低的时候传输线的转移矩阵和并联电容转移矩阵的形式一致，因此，可以用一段高阻抗的微带传输线等效串联电感，用一段低阻抗传输线等效并联电容，传输线长度计算公式如下：
[0045][0046]
[0047]
其中，zh为高阻抗传输线的特征阻抗，z
l
为低阻抗传输线的特征阻抗，传输线的宽度受特征阻抗影响，计算公式如下：
[0048][0049]
其中，自由空间波阻抗η0＝120π，系数u＝w/h，w为微带线宽度，h为介质厚度，ε
eff
为相对介电常数，
[0050][0051]
通过以上的公式，可以将用于十字结式微带匹配结构的电感和电容等效替换成微带线的形式。
[0052]
参见图5，所示为本发明实施例的基于十字结式微带匹配的并联负反馈超宽带低噪声放大器完整三级级联电路，级间电路通过电容连接，根据晶体管的技术手册，第一级电路保证低噪声放大器的噪声性能，第二级和第三级电路追求整体电路的增益，三级电路均采用并联负反馈结构，保证电路整体的增益平坦度。
[0053]
参见图6-7，所示为本发明实施例的基于十字结式微带匹配的并联负反馈超宽带低噪声放大器经仿真得到的s参数和噪声系数，所设计的功率放大器的工作带宽为2-10ghz，在工作频段内输入输出回波损耗均小于-15db，增益大于30db，带内增益波动小于5db，带内带外绝对稳定，噪声系数小于1.78db，实现了超宽的工作频带，较好的增益平坦度和噪声抑制特性。
[0054]
无论上文说明如何详细，还有可以有许多方式实施本发明，说明书中所述的只是本发明的若干具体实施例子。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0055]
本发明实施例的上述详细说明并不在穷举的或者用于将本发明限制在上述明确的形式上。在上述以示意性目的说明本发明的特定实施例和实施例的同时，本领域技术人员将认识到可以在本发明的范围内进行各种等同修改。
[0056]
在上述说明描述了本发明的特定实施例并且描述了预期最佳模式的同时，无论在上文中出现了如何详细的说明，也可以许多方式实施本发明。上述电路结构及其控制方式的细节在其实行细节中可以进行相当多的变化，然而其仍然包含在这里所公开的本发明中。
[0057]
如上述一样应当注意，在说明本发明的某些特征或者方案时所使用的特殊术语不应当用于表示在这里重新定义该术语以限制与该术语相关的本发明的某些特定特点、特征或者方案。总之，不应当将在随附的权利要求书中使用的术语解释为将本发明限定在说明书中公开的特定实施例，除非上述详细说明部分明确地限定了这些术语。因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。
[0058]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。