一种Ku波段相控阵雷达的高线性度低噪声放大器的制作方法

本发明属于电子放大器领域，尤其涉及了一种Ku波段相控阵雷达的高线性度低噪声放大器。

背景技术：

Ku波段相控阵雷达的工作频率高、整体尺寸小，在对空间要求苛刻、精度要求高的机载探测雷达中得到广泛应用。低噪声放大器作为相控阵雷达接收／发射（T/R）单元的关键模块，对系统的整体性能有着重要影响。传统的低噪声放大器通常采用GaAs和InP等III-V族化合物半导体工艺制作。这种工艺在噪声和功率处理方面具有极优的性，但成本高、集成度低。近年来，随着SiGe BiCMOS工艺截止频率（ｆ_Ｔ）的大幅提高，SiGe BiCMOS工艺在噪声和增益等方面的性能完全达到III-V族半导体工艺的水平，且成本低、集成度高，但SiGe BiCMOS工艺的主要局限性是击穿电压和线性度较低，很难实现高线性输出功率。

Thrivikraman等人在第２级的输出端进行大信号负载牵引，并采用高击穿管与高性能管串联的混合结构，以提高电源电压，输出1-dB压缩点达到18.5dBm，但其高击穿管的ｆ_Ｔ较低，在工作频率接近ｆ_Ｔ时增益急剧下降，而负载牵引是负载线匹配而不是共轭匹配，导致输出反射系数（Ｓ_２２）小于-10dB，匹配较差。也有在第２级放大管的发射极引入简并电感（Kalyoncu et al., 2012），并提高偏置电压，输出1-dB压缩点可达16dBm，但射极电感降低了增益，较大的偏置电压导致功耗过大。

综上所述，现代相控阵雷达要求低噪声放大器具有很高的动态范围，在不显著增加电路面积的同时，既要满足低噪声的要求，又要提高线性输出功率，改善电路的动态范围。

技术实现要素：

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种Ku波段相控阵雷达的高线性度低噪声放大器，同时满足高线性输出功率和低噪声的技术要求。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种Ku波段相控阵雷达的高线性度低噪声放大器，包括：

第１级电路，采用射极简并电感型共源共栅结构，选取Ｑ_１管的发射极长度Ｌ_Ｅ，以保证最优信号源电阻等于信号源电阻，在Ｊ_ｃ和Ｑ_１管的尺寸都确定（ｆ_Ｔ确定）的条件下，选取适当的Ｌ_ｓ和Ｌ_ｂ，实现噪声与功率的匹配;

第２级电路，采用共源共栅结构，为得到较大的输出功率，Ｑ_３和Ｑ_４管的发射极尺寸选为Ｑ_１和Ｑ_２管的４倍，使用Ｌ_２，Ｌ_３，Ｃ_３和Ｒ_１实现宽带输出匹配。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：本发明提供了一种Ku波段相控阵雷达的高线性度低噪声放大器，在不显著增加电路面积和制造成本的同时，提高了线性输出功率，有效地改善了电路的动态范围。本发明的装置可满足Ｋｕ波段相控阵雷达系统的技术要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种Ku波段相控阵雷达的高线性度低噪声放大器的电路框图；

图2是本发明实施例提供的一种Ku波段相控阵雷达的高线性度低噪声放大器的后仿真噪声系数曲线图。

图3是本发明实施例提供的一种Ku波段相控阵雷达的高线性度低噪声放大器的传统偏置电路的1-dB压缩点曲线图。

图4是本发明实施例提供的一种Ku波段相控阵雷达的高线性度低噪声放大器的线性补偿偏置电路的1-dB压缩点曲线图。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

参考图1，一种Ku波段相控阵雷达的高线性度低噪声放大器，包括：

第１级电路，采用射极简并电感型共源共栅结构。２级结构的低噪声放大器中，其噪声系数满足关系式：

NF＝NF_１＋(NF_２－1)/G_A1 （１）

式中，ＮＦ_１和ＮＦ_２分别表示第１级和第２级电路的噪声系数，Ｇ_Ａ１表示第１级电路可获得的功率增益；

为得到尽可能低的噪声系数，要保证第１级电路的噪声系数小、功率增益大，第１级电路采用射极简并电感型共源共栅结构；最小噪声系数（NF_min）仅是共射管Q₁集电极电流密度（J_C）的函数，即存在一个最佳集电极电流密度（J_C,opt）;

第１级电路既要满足噪声阻抗匹配以获得最小噪声系数，又要满足共轭匹配以实现最大功率传输，必须满足：

Ｚ_Ｓ＝Ｚ_ｏｐｔ （２）

Ｚ_Ｓ＝Ｚ^＊_ＩＮ （３）

式中，Ｚ_ｏｐｔ为ＮＦ＝ＮＦ_ｍｉｎ时对应的信号源阻抗，为最优信号源阻抗；最优信号源阻抗的实部可简化为：

（４）

式中，ｆ为工作频率，ｆ_Ｔ为截止频率，ｒ_ｂ为Ｑ_１管的基极电阻，Ｌ_Ｅ和Ｗ_Ｅ为Ｑ_１管发射极的长度和宽度；在Ｊ_ｃ确定的前提下，可适当选取Ｑ_１管的发射极长度Ｌ_Ｅ，以保证最优信号源电阻等于信号源电阻。宽度Ｗ_Ｅ可取最小值为0.24μｍ；为实现最优信号源电阻等于50Ω，Ｑ_１管的尺寸为（0.24×2×11）μｍ^２；输入阻抗的实部为：

Ｒ_ｅ（Ｚ_ＩＮ）＝ｒ_ｂ＋２π×ｆ_Ｔ×Ｌ_ｓ （５）

在Ｊ_ｃ和Ｑ_１管的尺寸都确定（ｆ_Ｔ确定）的条件下，

选取Ｌ_ｓ为145pHｐＨ，使输入阻抗的实部等于50Ω。选取基极串联电感Ｌ_ｂ为358pH３５８ｐＨ，使式（２）、式（３）式分别成立，完成噪声与功率的匹配；

第２级电路, 采用共源共栅结构，输出功率表达式为：

Ｐ_ｏｕｔ＝0.5×Ｖ_ＣＣ×Ｉ （６）

式中，Ｉ为基频电流幅度;

为得到较大的输出功率，Ｑ_３和Ｑ_４管的发射极尺寸选为Ｑ_１和Ｑ_２管的４倍, 尺寸为（0.24×2×44）μm^２; 使用Ｌ_２，Ｌ_３，Ｃ_３和Ｒ_１实现宽带输出匹配; 电阻Ｒ_１取64Ω，并联结构的Ｑ值为：

Ｑ＝Ｒ／Ｘ （７）

式中，Ｘ为电感或电容的电抗值。

小电阻Ｒ_１可以降低电路的Ｑ值，并有效提高带宽，输出匹配更易于实现。虽然电阻会引入热噪声，但由于第２级电路对整体噪声系数的影响很小，Ｒ_１对整体噪声系数的影响可以忽略。电感Ｌ_２取468pH，Ｌ_４为514pH，Ｃ_４为4pF，电感Ｌ_２、Ｑ_４管的集电极寄生电容和Ｒ_１将输出阻抗的实部转换到50Ω，而电感Ｌ_４可抵消输出阻抗的虚部，最终实现与50Ω负载的共轭匹配，Ｃ_４是一个大的隔直电容。

基于IBM 0.18μｍ SiGe BiCMOS工艺，使用Spectre对电路仿真。如图2所示，15.85GHz，NF最小值为3.22dB；中心频率16.5GHz处，NF最小值为3.27dB，且在全频带范围内，NF值均小于3.9ｄＢ，本发明较好地满足了低噪声的指标要求。

如图3、图4所示，在中心频率16.5GHz时，本发明的1-dB压缩点为6.75dBm，饱和输出功率接近10dBm。本发明的1-dB压缩点比传统偏置电路提高近3.5dB。

本实施例中，所述一种Ku波段相控阵雷达的高线性度低噪声放大器，基于IBM 0.18μｍ SiGe BiCMOS工艺，采用２级共源共栅结构，对晶体管的尺寸和偏置进行了优化，得到了较低的噪声系数和较大的功率增益。引入了线性补偿偏置电路，在不显著增加电路面积的同时，提高了线性输出功率，有效地改善了电路的动态范围。仿真结果表明，电路具有较好的性能，可满足Ｋｕ波段相控阵雷达系统的要求。

以上所述，仅为本发明较佳实施例，不以此限定本发明实施的范围，依本发明的技术方案及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应属于本发明涵盖的范围。