一種l波段單路偏壓低噪聲制冷放大器的制造方法
【專利說明】一種L波段單路偏壓低噪聲制冷放大器
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及天文接收機用放大器領(lǐng)域，尤其涉及一種天文接收機用L波段單路偏壓高線性度低噪聲制冷放大器。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]微波低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)是天文接收機中非常關(guān)鍵的部件，其性能直接決定系統(tǒng)的靈敏度。同時，它也是低溫物理研宄和衛(wèi)星通訊領(lǐng)域中非常重要的器件。目前各微波器件商主要提供工作在常溫下的微波低噪聲放大器，其中噪聲性能較好的L波段低噪放在常溫下的噪聲溫度基本上都高于50K，無法滿足天文接收機對靈敏度的需求。目前世界各國天文望遠(yuǎn)鏡所使用的L波段放大器均為制冷低噪聲放大器，即采用制冷杜瓦將放大器制冷到15-20K的超低溫溫度下，低溫環(huán)境大大地降低了低噪放各阻性元件的電阻熱噪聲及晶體管的柵漏極噪聲，從而將低噪放的等效噪聲溫度降低至10K以下。這些制冷放大器幾乎全部由以下四個研宄機構(gòu)研制:美國加州理工學(xué)院(Caltech)、澳大利亞天文臺(ATNF)、英國天文臺(JBCA)和美國國立天文臺(NRA0)。各研宄機構(gòu)研制的制冷放大器各有特點，其中最有代表性的是美國加州理工學(xué)院Sander, ffeinreb團組和澳大利亞天文臺。前者采用異質(zhì)結(jié)雙極型鍺娃晶體管(HBT SiGe Transistor)研制了制冷低噪放，其工作頻帶為l-3GHz，帶內(nèi)增益30-32dB。其在常溫下噪聲溫度約為70-80K，在20K環(huán)境溫度下的噪聲溫度為5-8K左右。它采用單路直流供電，供電方式簡單。但該放大器線性性能較差，其輸出三階截斷功率(0IP3)為15.6dBm，輸出ldB增益壓縮功率(P1)為OdBm。較差的線性性能會對其在高電磁干擾環(huán)境下的使用造成一定影響。澳大利亞天文臺研制的L波段低噪聲制冷放大器，工作頻帶為0.95-1.45GHz，帶內(nèi)增益30_32dB。其在室溫下噪聲溫度40K，在15K溫度下噪聲溫度為4.5-5.5K。其輸出三階截斷功率為18dBm，輸出ldB增益壓縮功率為7dBm。該放大器噪聲性能和線性性能較好，但由于其采用耗盡型晶體管(Deplet1n Mode Transistor)制作而成，這類晶體管柵極需要負(fù)的偏置電壓，整個放大器需要2路正偏置電壓和2路負(fù)偏置電壓供電，直流供電方式較為復(fù)雜，加上地線，實際使用中需要5根直流線進入接收機杜瓦。特別是對于多波束接收機，如在貴州在建的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST工程)的19波束接收機，每個波束需要2個制冷放大器，那么制冷杜瓦內(nèi)需要引入多達190根直流線，這190根從外部300K的溫度下連接到杜瓦內(nèi)15K的溫度下的直流線會使得制冷杜瓦中15K的冷頭不斷地被加熱，因此需要增加制冷系統(tǒng)的制冷量及由之而來的復(fù)雜度。同時，外部的供電模塊也需特別設(shè)計，以便為每個放大器同時提供4路正負(fù)極偏置電壓。
[0004]目前絕大多數(shù)低噪聲制冷放大器為滿足低噪聲、高增益、低反射損耗和寬帶寬等多方面性能要求，均采用多路供電的方式，英國天文臺(JBCA)研制的L波段制冷放大器直流供電線路甚至達到了 7根。同樣基于均衡設(shè)計的原因，各放大器的線性性能也不是很好，特別是在各天文望遠(yuǎn)鏡臺址電磁干擾日益增多的今天，為抑制電磁干擾，在接收機制冷放大器前端加制冷超低損耗濾波器(如高溫超導(dǎo)濾波器)正變得越來越普遍，這不但增加了接收機系統(tǒng)的復(fù)雜度和隨之而來的成本，同時由于該濾波器處在系統(tǒng)第一級放大器的前端，也必然地提升了系統(tǒng)的噪聲溫度。
[0005]因此，如何解決上述問題成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的技術(shù)問題。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種L波段單路偏壓低噪聲制冷放大器，本申請采用獨特的微波、機械設(shè)計以及獨特的焊裝工藝設(shè)計制造L波段單路偏壓制冷低噪聲放大器，工作頻帶1.3-1.8GHz，該放大器可在10-20K的超低溫度下長時間穩(wěn)定工作，低溫環(huán)境大大地降低了低噪放各阻性元件的電阻熱噪聲及晶體管的柵漏極結(jié)噪聲，從而將低噪放的等效噪聲溫度降低至9K左右的水平。優(yōu)化的晶體管選擇、精確的直流特性測試以及獨特的直流偏置電路設(shè)計使得該制冷低噪聲放大器具備極高的動態(tài)范圍，其輸出三階截斷功率高達25.5dBm，輸出ldB壓縮功率高達15dBm。
[0008]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
一種L波段單路偏壓低噪聲制冷放大器，所述放大器包括輸入匹配電路、直流偏置電路、信號放大電路和輸出匹配電路；其中，
所述輸入匹配電路的輸出端與所述直流偏置電路的輸入端、所述信號放大電路輸入端連接在一起；所述信號放大電路輸出端與所述直流偏置電路的輸出端、所述輸出匹配電路的輸入端連接在一起構(gòu)成所述放大器。
[0009]進一步，所述輸入匹配電路包括微帶傳輸線(T1)、第一電容(C1)、微帶傳輸線(T2)、第一電感(L1)和并聯(lián)微帶短截線(T4)，所述微帶傳輸線(T1)的一端連接輸入信號，另一端連接所述第一電容(C1)的一端，所述第一電容(C1)的另一端連接所述微帶傳輸線(T2)的一端，所述微帶傳輸線(T2)的另一端連接所述第一電感(L1)的一端，所述第一電感(L1)的另一端連接所述并聯(lián)微帶短截線(T4)的一端，并聯(lián)微帶短截線(T4)的另一端連接所述直流偏置電路的輸入端和所述信號放大電路的輸入端。
[0010]進一步，所述信號放大電路包括第一級晶體管(G1)、極間電容(C2)和第二級晶體管(G2);所述第一級晶體管(G1)的柵極為信號放大電路的輸入端，第一級晶體管(G1)的漏極連接所述極間電容(C2)的一端，極間電容(C2)的另一端連接所述第二級晶體管(G2)的柵極，第二級晶體管(G2)的漏極為信號放大電路的輸出端。
[0011]進一步，所述直流偏置電路包括微帶傳輸線(T3)、第一電阻(R1)、第二電阻(R2)、第三電阻(R3)、第四電阻(R4)、第五電阻(R5)、第六電阻(R6)、第七電阻(R7)、第八電阻(R8)、第九電阻(R9)、第十電阻(R10)、微帶傳輸線(T10)、第三電容(C3)、第四電容(C4)、第六電容(C6)、第七電容(C7)、第八電容(C8)，所述微帶傳輸線(T3)的一端連接所述信號放大電路輸入端，微帶傳輸線(T3)的另一端連接所述第一電阻(R1)的一端，所述第一電阻(R1)的另一端分別連接所述第二電阻(R2)的一端和所述第四電容(C4)的一端，第四電容(C4)的另一端接地；第二電阻(R2)的另一端分別連接所述第三電阻(R3)的一端和所述第四電阻(R4)的一端，第三電阻(R3)的另一端接地，第四電阻(R4)的另一端分別通過微帶線(T5)連接所述信號放大電路、連接所述第五電阻(R5)的一端、連接所述第六電容(C6)的一端、通過微帶線(T11)連接直流電源接口(DC port)，第五電阻(R5)的另一端接地，第六電容(C6)的另一端接地；所述微帶傳輸線(T10)的一端連接所述信號放大電路，微帶傳輸線(T10)的另一端連接所述第六電阻(R6)的一端，第六電阻(R6)的另一端分別連接所述第三電容(C3)的一端和所述第七電阻(R7)的一端，第三電容(C3)的另一端接地，第七電阻(R7)的另一端分別連接所述第八電阻(R8)的一端和所述第九電阻(R9)的一端，第八電阻(R8)的另一端接地，第九電阻(R9)的另一端分別通過微帶線(T6)連接所述信號放大電路的輸出端、通過微帶線(T12)連接所述直流電源接口(DC port)、連接所述第十電阻(R10)的一端、連接所述第七電容(C7)的一端，第十電阻(R10)的另一端接地，第七電容(C7)的另一端接地；所述第八電容(C8)的一端接地，另一端連接所述直流電源接口(DC port)。
[0012]進一步，所述第一級晶體管(G1)和第二級晶體管(G2)均為增強型高電子迀移率場效應(yīng)晶體管ATF54143。
[0013]進一步，所述放大器的電路基板為超低損耗PTFE陶瓷電路板R03003。
[0014]本發(fā)明具有以下積極的技術(shù)效果:
本申請采用獨特的微波、機械設(shè)計以及獨特的焊裝工藝設(shè)計制造L波段單路偏壓制冷低噪聲放大器，工作頻帶1.3-1.8GHz，該放大器可在10-20K的超低溫度下長時間穩(wěn)定工作，低溫環(huán)境大大地降低了低噪放各阻性元件的電阻熱噪聲及晶體管的柵漏極結(jié)噪聲，從而將低噪放的等效噪聲溫度降低至9K左右的水平。優(yōu)化的晶體管選擇、精確的直流特性測試以及獨特的直流偏置電路設(shè)計使得該制冷低噪聲放大器具備極高的動態(tài)范圍，其輸出三階截斷功率高達25.5dBm，輸出ldB壓縮功率高達15dBm。
[0015]
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的電路原理圖；
圖2是