本發(fā)明屬于射頻集成電路設計領域，具體涉及一種基于單片微波集成電路(MMIC)的超寬帶高增益低噪聲放大器，適用于射電天文和無線通信寬頻接收機，特別涉及S、C、X、Ku波段外差接收機或毫米波亞毫米波接收機的中頻模塊。

背景技術：

低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)是微波接收系統(tǒng)的核心器件之一，其主要作用是對天線接收到的微弱射頻信號進行線性放大，同時抑制各種噪聲干擾，提高接收機靈敏度，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)。所以，LNA的設計對整個接收機系統(tǒng)的接收靈敏度和噪聲性能起著決定性作用。

70年代，隨著半導體器件的成熟、工藝加工技術的改進、GaAs材料設備的完善以及器件成品率的提高，單片微波集成電路(MMIC)的研究進入高潮。MMIC是一種把有源電路和無源電路制作在同一個半導體襯底上的微波電路，其工作頻率從1GHz到100GHz以上，具有電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動態(tài)范圍大、結(jié)構(gòu)緊湊和優(yōu)秀的重復生產(chǎn)能力等特點，因此廣泛應用于如軍事、航天、民用電子產(chǎn)品等領域。

近年來，為滿足微波接收系統(tǒng)小型化、高性能指標，具有低噪聲、高增益及良好輸入輸出匹配等優(yōu)異性能的MMIC LNA設計變得十分緊要。此外，隨著現(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展，在各領域中，信號頻率范圍不斷變高、變寬，設計性能優(yōu)異的超寬帶低噪聲放大器芯片變得越來越重要，不僅可以實現(xiàn)多波段的信號放大，更可以節(jié)約成本和芯片面積。

一般說來，如果射頻電路模塊的相對工作帶寬低于15％，被劃為窄帶模塊；若高于15％，則被劃為寬帶模塊。相對工作帶寬高于125％，且?guī)挸^1.5GHz，則被劃為超寬帶模塊。其中相對帶寬BW_r的公式為：

式中，f_L為目標帶寬的低端頻率，f_H為目標帶寬的高端頻率。

傳統(tǒng)的窄帶低噪聲放大器，因其中心頻率的頻率響應是對整個帶寬頻率響應的有效近似，只需將設計集中在中心頻率，因此通常要求電路有較低的噪聲系數(shù)、較高的增益及平坦度、優(yōu)秀的輸入輸出匹配等。而在超寬帶射頻電路設計中，必須考慮整個超寬頻帶范圍內(nèi)的響應，因此實現(xiàn)超寬帶下優(yōu)異的阻抗匹配和較高的增益是本發(fā)明除低噪聲特性外的另一難點。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術問題是提供一種MMIC工藝制造的工作在3-15GHz的超寬帶高增益低噪聲放大器芯片，能夠克服上述現(xiàn)有技術的不足之處。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的一個技術方案是：提供一種基于單片微波集成電路的超寬帶高增益低噪聲放大器，整體電路采用四級級聯(lián)，需兼顧最小噪聲、最大增益、端口匹配以及帶內(nèi)平坦度：

進一步，偏置電路在第一級和第二級晶體管T1、T2的漏極采用兩顆高阻值的大電感L₁、L₂，以提高第一級的增益并抑制后級的噪聲并作為扼流電感來隔離射頻信號。電源處加上旁路電容以阻止射頻信號漏進直流電源內(nèi)，從而實現(xiàn)DC至50GHz內(nèi)無條件穩(wěn)定；

進一步，輸入匹配電路在第一級晶體管T1的漏極和柵極之間并聯(lián)電阻R和電容C，反饋電阻R有效降低了低頻處的輸入電壓駐波比，極大擴展了LNA的輸入匹配帶寬，此外并聯(lián)負反饋效應很好地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖3所示。在第一級晶體管T1的源極串聯(lián)電感L_s用于提供實阻抗以補償輸入阻抗中由漏極與源極之間的反饋電路產(chǎn)生的虛阻抗，這樣不僅能夠使器件在低頻段穩(wěn)定，還可以改善噪聲系數(shù)，有利于將噪聲匹配阻抗點移動至功率匹配點，如圖4所示。

進一步，級間匹配電路，采用電容和電感串聯(lián)實現(xiàn)阻抗匹配，從而獲得信號從源到負載無相移的最大功率及最小噪聲的有效傳輸；采用感性的微帶線代替小電感的方法使得電路結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定并且節(jié)約芯片面積；

進一步，輸出匹配電路，對整體電路噪聲貢獻較小，主要考慮輸出駐波比和增益，采用電容和電感串聯(lián)實現(xiàn)阻抗匹配。

上述超寬帶低噪聲放大器電路設計中，偏置電路在特定的工作條件下為放大器提供適當?shù)撵o態(tài)工作點，以保持有源電路工作特性的穩(wěn)定；輸入匹配電路決定了整個放大器的噪聲，所以必須按照最小噪聲匹配；級間電路按照最大功率傳輸匹配；輸出匹配電路對噪聲貢獻較小，主要考慮輸出駐波比和增益。

上述超寬帶低噪聲放大器設計，采用正負雙電源供電，四級級聯(lián)，MMIC工藝制造，四級晶體管均采用pHEMT晶體管。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的單片超寬帶高增益低噪聲放大器，頻帶可覆蓋S波段至Ku波段，并且在超寬帶內(nèi)擁有較低的噪聲特性、較高的增益和良好的輸入輸出阻抗匹配，性能優(yōu)異，且全頻帶內(nèi)性能穩(wěn)定，適用于射電天文和無線通信寬頻接收機。

附圖說明

圖1為低噪聲放大器電路設計圖。

圖2為偏置電路示意圖。

圖3為并聯(lián)反饋電路圖。

圖4為串聯(lián)反饋電路圖。

圖5為串聯(lián)反饋等效模型。

圖6為穩(wěn)定性系數(shù)仿真結(jié)果。

圖7為S參數(shù)與噪聲系數(shù)仿真結(jié)果。

圖8為線性度仿真結(jié)果。

具體實施方式

為詳細說明本發(fā)明的技術內(nèi)容、構(gòu)造特征、所實現(xiàn)的目的及效果，以下結(jié)合實施方式并配合附圖詳予說明。

從圖1可以看出，本系統(tǒng)的主要組成單元包括：偏置電路、輸入匹配電路、級間匹配電路、輸出匹配電路，偏置電路在特定的工作條件下為放大器提供適當?shù)撵o態(tài)工作點，以保持有源電路工作特性的穩(wěn)定；輸入匹配電路決定了整個放大器的噪聲，所以必須按照最小噪聲匹配；級間電路按照最大功率傳輸匹配；輸出匹配電路對噪聲貢獻較小，主要考慮輸出駐波比和增益。下面將結(jié)合附圖做進一步的說明。

一、偏置電路：直流偏置電路的設計對低噪聲放大器性能有著非常重要的影響，偏置電路在特定的工作條件下為放大器提供適當?shù)撵o態(tài)工作點，以保持有源電路工作特性的穩(wěn)定。pHEMT的偏置有多種方式，本設計采用的是正負電壓的偏置方式，雙電源供電，即漏極加正電壓、柵極加負電壓以控制漏極電流，由于源極沒有偏置電路，所以引入的源極反饋較小，對高頻而言比較容易穩(wěn)定。按照圖2所示的偏置電路示意圖進行電路的架構(gòu)，在第一級和第二級晶體管T1、T2的漏極采用兩顆高阻值的大電感L₁、L₂，以提高第一級的增益并抑制后級的噪聲，并且可作為扼流電感來隔離射頻信號。小值偏置電阻R_d可降低偏置電感L₁、L₂在低頻處的電感性以降低低頻處的輸入電壓駐波比；高值電阻器R_g用于加載負柵極偏置；電源處加上旁路電容以阻止射頻信號漏進直流電源內(nèi)，從而實現(xiàn)DC至50GHz內(nèi)無條件穩(wěn)定。

二、輸入匹配電路：在第一級晶體管T1的漏極和柵極之間并聯(lián)電阻R和電容C，其作用是加載一個負反饋回路到pHEMT晶體管，使得輸入和輸出阻抗接近于50Ω。反饋電阻R是關鍵的反饋元件，可以有效降低低頻處的輸入電壓駐波比，極大擴展LNA的輸入匹配帶寬，但是其值決定了互相制約的基本增益和帶寬，隨著R阻值的減小，LNA的輸入匹配帶寬雖然會變寬，但其增益損耗會加大，因此，需要折中選取反饋電阻R的阻值。電容C是一個隔直元件，用于將正漏極偏置和負柵極偏置隔離開。此外并聯(lián)負反饋的引入有效地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖3所示。

三、輸入匹配電路：如圖4所示，在第一級晶體管T1的源極與地之間插入電感L_s，其等效模型如圖5所示，輸入阻抗表達式為：

式中，G_m為器件固有跨導，C_gs為柵源極間電容，R_ds為器件有效輸出電阻。

可以看出，反饋電感L_s用于提供實阻抗以補償輸入阻抗中反饋電路產(chǎn)生的虛阻抗，這樣不僅能夠使器件在低頻段穩(wěn)定，還可以改善噪聲系數(shù)，有利于將噪聲匹配阻抗點移動至功率匹配點。設計時需要電感值很小的電感去實現(xiàn)串聯(lián)反饋，但實際的電感很難做到，且反饋電感的電感值對整個電路的穩(wěn)定性有很大影響，所以采用微帶線替代有利于電路的設計與優(yōu)化。

四、級間匹配電路：采用電容和電感串聯(lián)實現(xiàn)阻抗匹配，從而獲得信號從源到負載無相移的最大功率及最小噪聲的有效傳輸；采用感性的微帶線代替小電感的方法使得電路結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定并且節(jié)約芯片面積。

五、輸出匹配電路：對整體電路噪聲貢獻較小，主要考慮輸出駐波比和增益，采用電容和電感串聯(lián)實現(xiàn)阻抗匹配。實現(xiàn)超寬帶下優(yōu)異的阻抗匹配是本設計的另一難點。通常為了將射頻模塊的阻抗響應從窄帶變?yōu)閷拵?，在設計中盡可能縮短回波損耗S22曲線與史密斯圓圖中心的距離，距離越短意味著回波損耗越大，相應的帶寬越寬，同時盡可能壓縮其軌跡在圓圖上占據(jù)的區(qū)域至史密斯圓圖中心，以獲得明確的寬帶性能。

下面給出了一個具體實現(xiàn)的例子：

本實例電路工作頻段為3-15GHz，基于MMIC技術，采用0.15μmGaAspHEMT工藝，四級晶體管均采用相同的pHEMT晶體管，工作在同一偏置條件下，電源電壓為V_d＝2V，V_g＝-0.7V；引入源極電感串聯(lián)負反饋和電阻并聯(lián)負反饋結(jié)構(gòu)，反饋電阻R為700Ω，仿真結(jié)果如圖6至8所示。該結(jié)果表明，3-15GHz工作頻帶內(nèi)穩(wěn)定性系數(shù)大于1，其增益在30dB以上，最大增益達到35dB，工作頻帶內(nèi)噪聲系數(shù)低于2dB。此外，芯片在4-12GHz頻段內(nèi)擁有非常優(yōu)秀的輸入輸出匹配，回波損耗均優(yōu)于10dB甚至15dB。1dB壓縮點出現(xiàn)在輸入功率為-14dBm、輸出功率為10dBm處。以上結(jié)果表明該放大器在寬帶內(nèi)具有平坦的高增益、良好的輸入和輸出匹配及較低的噪聲系數(shù)，性能優(yōu)異，符合項目需求。

綜上所述，本發(fā)明的基于單片微波集成電路(MMIC)的超寬帶高增益低噪聲放大器由偏置電路、輸入匹配電路、級間匹配電路和輸出匹配電路組成，采用了四級放大、雙電源供電、RC負反饋匹配及源極電感負反饋等技術手段。本發(fā)明可實現(xiàn)在3-15GHz超寬帶內(nèi)，芯片不僅結(jié)構(gòu)緊湊、面積小，還具有優(yōu)秀的工作帶寬及良好的輸入輸出阻抗匹配，并且合理權衡了最小噪聲系數(shù)和最大功率增益之間的關系，滿足了射頻接收機的性能需求，可以廣泛應用于射電天文和無線通信寬頻接收機。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。