一种应用于X波段的宽带低噪声放大器的制作方法

本实用新型是属于射频电路的领域，具体的是涉及一种应用于X波段的宽带低噪声放大器。

背景技术：

低噪声放大器(LNA)位于射频接收机的前端，其主要作用是对流入放大器的微弱信号进行低噪声放大并且保证线性度。由于低噪声放大器位于整个接收机系统的第一级，所以其性能的好坏对整个接收系统有非常大的影响。设计一个性能良好的低噪放对提高系统的通信质量有很重要的意义。

低噪放的性能参数主要有噪声、工作带宽、增益、增益平坦度等。它的噪声系数决定了接收机的灵敏度，工作带宽决定了接收机系统的工作带宽。如何保证在较低噪声系数和较高增益的前提下拓宽低噪放的工作带宽是设计的难点。因为大多数晶体管的增益随着工作频率的升高而降低，一般是每倍频程降低6dB。所以在电路设计中就需要对增益滚降的部分进行补偿。但这样做就会使低噪放的输入输出驻波比和噪声参量有一定程度的恶化。所以在设计的过程中需要折中去考虑。

技术实现要素：

为了解决所述问题，本实用新型提出了一种新型低噪声放大器，能够同时进行噪声和功率的匹配，从而在保证功率增益的同时可以使得放大器的噪声系数较小。

本实用新型为实现上述目的而采取的技术方案为：

一种应用于X波段的宽带低噪声放大器，该放大器包括第一晶体管、第二晶体管、基极峰化电感、发射极反馈电感、集电极稳定电阻、级间耦合电容、第一晶体管直流偏置电阻网络、第二晶体管直流偏置电阻网络、电源旁路电容、第二晶体管RLC反馈网络、输入输出微带线匹配网络、输入输出端口和电源；其中外部的射频信号源和输入端口通过SMA接头相接，信号则输入到低噪声放大器之中，输出端口设置接射频SMA接头，第一晶体管的基极连接峰化电感，在发射极串联一个反馈电感并接地，集电极串联一个稳定性电阻，利用三个偏置电阻来驱动第一晶体管，在第一晶体管的直流偏置通路上分别添加LC低通滤波的网络，第二晶体管的发射极串联电感接地，集电极连接稳定性电阻，在基极和集电极之间添加RLC负反馈网络，第二晶体管直流偏置电路通过电阻来实现，第一晶体管和第二晶体管之间用两个耦合电容隔开，耦合电容和级间电阻共同构成级间匹配网络，整个放大器的输入输出匹配网络是通过微带线来实现，在接近电源的地方引入了去耦电容。

优选地，第一和第二晶体管都属于异质结双极晶体管（SiGe HBT），型号为 bfu710f。

优选地，第一和第二晶体管的直流偏置电阻值为330Ω、50Ω、42KΩ,晶体管集电极稳定电阻为10Ω，第二晶体管RLC负反馈网络的电阻值为100Ω，级间匹配电阻值为15Ω。

优选地，该低噪声放大器可以工作在6-10GHz的频段范围内。

优选地，输入端口的隔直电容取值范围在10pF-20 pF，输出端口的隔直电容取值范围在30pF-50 pF,两级之间耦合的电容为10pF、33 pF,晶体管直流通路的旁路电容为15 pF。

优选地，晶体管基极和发射极的串联电感是用一小段微带线来代替，并且具有较好的效果。

优选地，晶体管直流偏置电路对射频信号的阻断是通过电长度为90⁰的高阻微带线来实现。

优选地，SMA接头为标准的50欧姆SMA接头。

本实用新型的低噪声放大器，噪声匹配和功率匹配在一定的频率范围内能够同时完成。对于低噪声放大器，其功能是以最小噪声为目的而放大输入的微弱信号，所以在输入端口通常进行噪声匹配，输出端口的阻抗是以最大功率增益为目的进行匹配。

附图说明

图1为本实用新型型的低噪声放大器的电路结构图。

图2和图3为实用新型型的低噪声放大器输入端口S11曲线图和输出端口S22曲线图。

图4和图5为实用新型型的低噪声放大器增益的曲线图和稳定性的曲线图。

图6是实用新型型的低噪声放大器噪声系数曲线图。

图7是实用新型型的低噪声放大器的晶体管直流偏置示例小图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做一个详细的说明。

为了使本实用新型的内容更加清楚易懂，下面将结合说明书的附图对应用于X波段的宽带低噪声放大器进行详细的说明。电路设计仿真是利用Agilent公司的ADS软件来完成，低噪声放大器的版图是利用Altium Designer软件来设计完成。经仿真和版图设计无误之后，最终将低噪声放大器实物加工出来并且完成了元器件的焊接。

参阅图1，本实用新型的一种低噪声放大器包括第一晶体管M1，第一晶体管基极峰化电感L1，发射极反馈电感L2，集电极稳定电阻R1。第一晶体管直流偏置电阻R5、R6、R7。第二晶体管M2，第二晶体管发射极反馈电感L3，集电极稳定电阻R3，基极和集电极RLC反馈网络，第二晶体管直流偏置电阻R8、R9、R10。第一和第二晶体管之间耦合电容C2、C3与电阻R2构成级间匹配网络。输入和输出端口的隔直电容C1和C4。电源端口的去耦电容C8、C9、C10和C11。第一和第二晶体管直流偏置电路对射频信号的阻断采用了电长度为90⁰的高阻微带线TL1

TL2、TL3和TL4。

具体的，放大器的输入端口接标准的50欧姆SMA接头，信号则输入到放大器之中，在输入端口利用一隔直电容来防止晶体管M1的直流工作点受到影响，同样在输出端口接一个电容来防止信号影响后一级的射频模块。本次实用新型的低噪声放大器的使用频率范围是6—10GHz。

第一晶体管的基极和集电极处分别引出其直流偏置电路，在直流馈电电路中利用微带线TL1、TL2对射频信号进行扼流，同时在微带线TL1、TL2的另一端接扇形线和去耦电容来滤除电源产生的纹波，电感L1的一端接放大器的输入匹配电路，另一端接晶体管M1的基极，电感L1的作用是中和晶体管M1的输入寄生电容特性，放大器增益改变的具体原因是寄生电容的充放电引起的。电感L2连接晶体管M1的发射极并且接地。稳定电阻R1的一端连接晶体管M1的集电极，另一端与放大器的级间匹配电路相接。在实际的电路制作中，电感通常是用一小段微带线来代替。第二晶体管的基本结构和第一晶体管差别不大，只是在基极和集电极之间加了一个RLC反馈网络来调节电路的增益平坦度。

由于高频段电路增益会有一定程度的衰减，所以在本次实用新型中是将低频段的增益削弱来改善低噪声放大器的增益平坦度，具体的措施是在第一和第二晶体管M1、M2之间添加级间匹配网络来实现，级间匹配电路是由两个电容C2、C3与电阻R2搭建而成。电容也起到耦合的作用，以防止两个晶体管的静态工作点受到影响而发生偏移。

以下将对本实用新型的低噪声放大器的原理进行说明。

参阅图7，首先是晶体管M1和M2的直流工作点和偏置电路的设计，查看晶体管的数据手册可以知道最佳的晶体管的工作状态是：IC=10mA、VCE=3V、VCC=5V、VBE=0.7V、放大倍数为350。

通过上面两个公式，代入晶体管的工作点就可以计算得到其偏置电阻的阻值，但在本次实用新型中，晶体管的基极处还添加了电阻来使得它的直流工作点受温度变化影响最小，也即是利用三个电阻来驱动晶体管M1和M2并使其正常工作。

接着是晶体管稳定性的设计，将晶体管看成是一个两端口网络，该网络可由晶体管的S参数及其终端条件和来确定。不稳定也就意味着晶体管的输入和输出端口有负阻出现。其中、表示负载和源的反射系数。

假设放大器的输入阻抗是

则输入端口的反射系数为以下

要使晶体管处于稳定状态，必须让端口的反射系数小于1，也即是。而从上式可以看出，当时，晶体管端口的反射系数小于1。所以可得提高系统稳定性的方法：在晶体管的不稳定端口添加阻性元件，以改变它的输入阻抗使得。在本次实用新型中，在晶体管M1的发射极串联反馈电感、在集电极串联电阻来改善放大器的稳定性。

最后是阻抗的匹配，阻抗匹配可以有效的将信号从信号源传到器件，或者是从器件传到负载，或者是在两个器件间进行传递。对于低噪声放大来说，在放大微弱信号的同时要保证引入的噪声最小，所以在输入端口要进行最小噪声的匹配而不是常规的功率匹配。

上式所示为双端口网络噪声系数的具体表达式，其中指最佳源反射系数，是网络的等效噪声电阻，为最小噪声系数。、和称之为噪声参数，由晶体管制造厂商给出。噪声匹配就是寻找最佳源反射系数进行输入阻抗的匹配，此时的噪声最小。但输入驻波会比较大。在本次实用新型设计中，通过调节峰化电感、反馈电感以及去耦电容的值使得晶体管的最佳源反射系数对应的阻抗和晶体管自身的输入阻抗相差不大，然后进行匹配。

图2和图3所示为低噪声放大器输入端口和输出端口匹配状态的曲线图，从曲线图可以看出，输入输出反射系数均小于-10dB。满足一般对低噪声放大器输入输出反射系数的要求。

图4、图5和图6所示为低噪声放大器的增益和稳定性及噪声系数的仿真曲线图，从曲线图中可以看出增益介于24 dB —26dB之间，放大器在工作的全频段范围内是处于稳定的状态，噪声系数小于2.5dB。各个性能参数的仿真数据显示该放大器能够满足一般接收机系统对低噪声放大器的要求。可以应用到无线通信之中。