一种l波段单路偏压低噪声制冷放大器的制造方法
【专利说明】一种L波段单路偏压低噪声制冷放大器
[0001]
技术领域
本发明涉及天文接收机用放大器领域，尤其涉及一种天文接收机用L波段单路偏压高线性度低噪声制冷放大器。
[0002]
【背景技术】
[0003]微波低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)是天文接收机中非常关键的部件，其性能直接决定系统的灵敏度。同时，它也是低温物理研宄和卫星通讯领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温下的微波低噪声放大器，其中噪声性能较好的L波段低噪放在常温下的噪声温度基本上都高于50K，无法满足天文接收机对灵敏度的需求。目前世界各国天文望远镜所使用的L波段放大器均为制冷低噪声放大器，即采用制冷杜瓦将放大器制冷到15-20K的超低温温度下，低温环境大大地降低了低噪放各阻性元件的电阻热噪声及晶体管的栅漏极噪声，从而将低噪放的等效噪声温度降低至10K以下。这些制冷放大器几乎全部由以下四个研宄机构研制:美国加州理工学院(Caltech)、澳大利亚天文台(ATNF)、英国天文台(JBCA)和美国国立天文台(NRA0)。各研宄机构研制的制冷放大器各有特点，其中最有代表性的是美国加州理工学院Sander, ffeinreb团组和澳大利亚天文台。前者采用异质结双极型锗娃晶体管(HBT SiGe Transistor)研制了制冷低噪放，其工作频带为l-3GHz，带内增益30-32dB。其在常温下噪声温度约为70-80K，在20K环境温度下的噪声温度为5-8K左右。它采用单路直流供电，供电方式简单。但该放大器线性性能较差，其输出三阶截断功率(0IP3)为15.6dBm，输出ldB增益压缩功率(P1)为OdBm。较差的线性性能会对其在高电磁干扰环境下的使用造成一定影响。澳大利亚天文台研制的L波段低噪声制冷放大器，工作频带为0.95-1.45GHz，带内增益30_32dB。其在室温下噪声温度40K，在15K温度下噪声温度为4.5-5.5K。其输出三阶截断功率为18dBm，输出ldB增益压缩功率为7dBm。该放大器噪声性能和线性性能较好，但由于其采用耗尽型晶体管(Deplet1n Mode Transistor)制作而成，这类晶体管栅极需要负的偏置电压，整个放大器需要2路正偏置电压和2路负偏置电压供电，直流供电方式较为复杂，加上地线，实际使用中需要5根直流线进入接收机杜瓦。特别是对于多波束接收机，如在贵州在建的500米口径球面射电望远镜(FAST工程)的19波束接收机，每个波束需要2个制冷放大器，那么制冷杜瓦内需要引入多达190根直流线，这190根从外部300K的温度下连接到杜瓦内15K的温度下的直流线会使得制冷杜瓦中15K的冷头不断地被加热，因此需要增加制冷系统的制冷量及由之而来的复杂度。同时，外部的供电模块也需特别设计，以便为每个放大器同时提供4路正负极偏置电压。
[0004]目前绝大多数低噪声制冷放大器为满足低噪声、高增益、低反射损耗和宽带宽等多方面性能要求，均采用多路供电的方式，英国天文台(JBCA)研制的L波段制冷放大器直流供电线路甚至达到了 7根。同样基于均衡设计的原因，各放大器的线性性能也不是很好，特别是在各天文望远镜台址电磁干扰日益增多的今天，为抑制电磁干扰，在接收机制冷放大器前端加制冷超低损耗滤波器(如高温超导滤波器)正变得越来越普遍，这不但增加了接收机系统的复杂度和随之而来的成本，同时由于该滤波器处在系统第一级放大器的前端，也必然地提升了系统的噪声温度。
[0005]因此，如何解决上述问题成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
[0006]
【发明内容】
[0007]针对【背景技术】中存在的问题，本发明的目的在于提供一种L波段单路偏压低噪声制冷放大器，本申请采用独特的微波、机械设计以及独特的焊装工艺设计制造L波段单路偏压制冷低噪声放大器，工作频带1.3-1.8GHz，该放大器可在10-20K的超低温度下长时间稳定工作，低温环境大大地降低了低噪放各阻性元件的电阻热噪声及晶体管的栅漏极结噪声，从而将低噪放的等效噪声温度降低至9K左右的水平。优化的晶体管选择、精确的直流特性测试以及独特的直流偏置电路设计使得该制冷低噪声放大器具备极高的动态范围，其输出三阶截断功率高达25.5dBm，输出ldB压缩功率高达15dBm。
[0008]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
一种L波段单路偏压低噪声制冷放大器，所述放大器包括输入匹配电路、直流偏置电路、信号放大电路和输出匹配电路；其中，
所述输入匹配电路的输出端与所述直流偏置电路的输入端、所述信号放大电路输入端连接在一起；所述信号放大电路输出端与所述直流偏置电路的输出端、所述输出匹配电路的输入端连接在一起构成所述放大器。
[0009]进一步，所述输入匹配电路包括微带传输线(T1)、第一电容(C1)、微带传输线(T2)、第一电感(L1)和并联微带短截线(T4)，所述微带传输线(T1)的一端连接输入信号，另一端连接所述第一电容(C1)的一端，所述第一电容(C1)的另一端连接所述微带传输线(T2)的一端，所述微带传输线(T2)的另一端连接所述第一电感(L1)的一端，所述第一电感(L1)的另一端连接所述并联微带短截线(T4)的一端，并联微带短截线(T4)的另一端连接所述直流偏置电路的输入端和所述信号放大电路的输入端。
[0010]进一步，所述信号放大电路包括第一级晶体管(G1)、极间电容(C2)和第二级晶体管(G2);所述第一级晶体管(G1)的栅极为信号放大电路的输入端，第一级晶体管(G1)的漏极连接所述极间电容(C2)的一端，极间电容(C2)的另一端连接所述第二级晶体管(G2)的栅极，第二级晶体管(G2)的漏极为信号放大电路的输出端。
[0011]进一步，所述直流偏置电路包括微带传输线(T3)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)、微带传输线(T10)、第三电容(C3)、第四电容(C4)、第六电容(C6)、第七电容(C7)、第八电容(C8)，所述微带传输线(T3)的一端连接所述信号放大电路输入端，微带传输线(T3)的另一端连接所述第一电阻(R1)的一端，所述第一电阻(R1)的另一端分别连接所述第二电阻(R2)的一端和所述第四电容(C4)的一端，第四电容(C4)的另一端接地；第二电阻(R2)的另一端分别连接所述第三电阻(R3)的一端和所述第四电阻(R4)的一端，第三电阻(R3)的另一端接地，第四电阻(R4)的另一端分别通过微带线(T5)连接所述信号放大电路、连接所述第五电阻(R5)的一端、连接所述第六电容(C6)的一端、通过微带线(T11)连接直流电源接口(DC port)，第五电阻(R5)的另一端接地，第六电容(C6)的另一端接地；所述微带传输线(T10)的一端连接所述信号放大电路，微带传输线(T10)的另一端连接所述第六电阻(R6)的一端，第六电阻(R6)的另一端分别连接所述第三电容(C3)的一端和所述第七电阻(R7)的一端，第三电容(C3)的另一端接地，第七电阻(R7)的另一端分别连接所述第八电阻(R8)的一端和所述第九电阻(R9)的一端，第八电阻(R8)的另一端接地，第九电阻(R9)的另一端分别通过微带线(T6)连接所述信号放大电路的输出端、通过微带线(T12)连接所述直流电源接口(DC port)、连接所述第十电阻(R10)的一端、连接所述第七电容(C7)的一端，第十电阻(R10)的另一端接地，第七电容(C7)的另一端接地；所述第八电容(C8)的一端接地，另一端连接所述直流电源接口(DC port)。
[0012]进一步，所述第一级晶体管(G1)和第二级晶体管(G2)均为增强型高电子迀移率场效应晶体管ATF54143。
[0013]进一步，所述放大器的电路基板为超低损耗PTFE陶瓷电路板R03003。
[0014]本发明具有以下积极的技术效果:
本申请采用独特的微波、机械设计以及独特的焊装工艺设计制造L波段单路偏压制冷低噪声放大器，工作频带1.3-1.8GHz，该放大器可在10-20K的超低温度下长时间稳定工作，低温环境大大地降低了低噪放各阻性元件的电阻热噪声及晶体管的栅漏极结噪声，从而将低噪放的等效噪声温度降低至9K左右的水平。优化的晶体管选择、精确的直流特性测试以及独特的直流偏置电路设计使得该制冷低噪声放大器具备极高的动态范围，其输出三阶截断功率高达25.5dBm，输出ldB压缩功率高达15dBm。
[0015]
【附图说明】
[0016]图1是本发明的电路原理图；
图2是