一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器的制作方法

本发明涉及无线通信，具体涉及一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器。

背景技术：

1、随着5g无线通信技术的不断发展，人们对通信数据率的要求也越来越高。为了应对这一挑战，毫米波频段，如26ghz/28ghz/37ghz/39ghz等，已颁布用于5g毫米波通信，这使得可利用带宽进一步拓宽更宽，可以实现更高的传输速率。作为毫米波宽带接收机中的核心模块，低噪声放大器作为接收链路的第一个有源且具有放大功能的模块，其性能直接关乎着接收机系统的灵敏度和工作带宽。为了满足多个5g毫米波通信标准，可同时支持24.25~43ghz的低噪声放大器需求也越来越大。此外，由于大部分天线是单端口元件，而低噪声放大器的后续电路（例如移相器、混频器等）大都需要差分输入信号以此抑制版图寄生的影响，因此低噪声放大器还需具备单端信号转差分信号的功能。

2、如图1所示，传统的宽带低噪声放大器一般采用多级共源结构实现，为了实现宽带特性，一般在输入输出级采用高阶的电容-电感网络设计，但是该结构占用的芯片面积较大并且会恶化插损以及噪声性能；对于增益带宽而言，一般采用多极点的方法来实现带宽的拓展，由于该方法的核心技术是将各级的增益峰值错开，一定程度上牺牲了整个电路的增益。并且，由于加工工艺等因素的影响可能导致各级增益的变化，从而可能导致带内增益的较大波动。对于单转差放大器设计而言，如图2所示，主流方案是采用共源结构加共栅结构来实现，该方案在实现难度以及线性度方面具有一定的优势。但是由于未考虑噪声匹配等原因，其噪声性能较差。并且在宽带条件下，由于共源和共栅放大器的频率响应不一致，导致输出两路信号的幅度平衡性和相位误差会随远离中心频率而快速变大，这限制了其宽带应用的能力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对超宽带5g毫米波通信与低噪声单转差应用需求，提供一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，可同时覆盖k波段和ka波段。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，包括依次连通的单转差放大电路、第一级缓冲电路、第一级间匹配电路、第二级缓冲电路、第二级间匹配电路；

4、所述单转差放大电路用于对单端输入信号rfin放大并转换为差分信号，完成阻抗和噪声匹配同步实现；

5、所述第一级缓冲电路与第二级缓冲电路结构相同，均用于对所述单转差放大电路输出的差分信号进行滤波放大处理和相位幅度调整；

6、所述第一级间匹配电路与第二级间匹配电路结构相同，均用于实现级间和输出匹配、进一步平衡差分信号的相位幅度并输出差分信号。

7、进一步地，所述的单转差放大电路包括耦合电感l1和l2、电容c1、电容c2、电感l3、场效应管m1和变压器t1，所述耦合电感l1和电容c1并联，耦合电感l1的一端接地，另一端连接所述耦合电感l2的一端，耦合电感l2的另一端通过电容c2连接场效应管m1的栅极，场效应管m1的源极通过电感l3接地，场效应管m1的漏极连接所述变压器t1的初级线圈的一端，变压器t1的初级线圈的另一端接电源vdd，接收到的单端输入信号rfin输入到所述耦合电感l1和耦合电感l2之间，变压器t1的次级线圈的两端输出差分信号，连接到所述第一级缓冲电路的两个输入端。

8、进一步地，所述的第一级缓冲电路包括场效应管m2a和m2b，所述的场效应管m2a和m2b的源极均接地，所述的场效应管m2a和m2b的栅极作为第一级缓冲电路的输入端交叉连接到所述场效应管m2b和m2a的漏极，所述的场效应管m2a和m2b的漏极作为第一级缓冲电路的输出，分别连接到所述第一级间匹配电路的两个输入端。

9、进一步地，所述的第一级缓冲电路还包括连接在所述场效应管m2a的源极和接地端的电感l4a和连接在所述场效应管m2b的源极和接地端的电感l4b。

10、进一步地，所述的第一级缓冲电路还包括中和电容c3，所述中和电容c3连接在场效应管m2a栅极和所述场效应管m2b漏极之间，同时还连接在场效应管m2b栅极和所述场效应管m2a漏极之间。

11、进一步地，所述的第一级间匹配电路包括六端口变压器t2，所述六端口变压器t2的初级线圈的两端连接所述第一级缓冲电路的输出，六端口变压器t2的初级线圈的中间抽头接电源vdd，六端口变压器t2的次级线圈的两端输出差分信号，连接到所述第二级缓冲电路的两个输入端。

12、进一步地，所述的第一级间匹配电路还包括电容c4，所述电容c4的一端接地，另一端接电源vdd。

13、进一步地，所述六端口变压器t2为基于两个平面电感线圈之间耦合效应构建的对称六端口片上变压器。

14、本发明的有益效果是：

15、1）单转差放大电路中，由耦合电感l1和l2、电容c1、电容c2、电感l3和场效应管m1的寄生电容cgs构成的五阶lc匹配网络，在整个目标带宽内获得多个零点，实现了超宽带的输入匹配，还有效降低了芯片面积。

16、2）电感l3连接在场效应管m1的源极，电感源极负反馈技术改善了共源管的输入阻抗特性，有利于在较大带宽内实现阻抗和噪声同步匹配并提高电路的稳定性。

17、3）第二级和第三级缓冲电路采用差分的共源结构，通过引入中和电容c3和c5提高了电路的增益和稳定性，并优化每一级的输入输出阻抗，有利于级间宽带匹配。

18、4）第二和第三级间匹配电路采用全对称的六端口变压器来进一步改善宽带差分信号的幅相平衡性，实现了宽带级间和输出匹配。

19、综上所述，相较于传统的宽带毫米波低噪声放大器和单转差放大器，本发明提供的具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器具有更宽的工作带宽、更低的噪声系数、更小的版图面积和良好的宽带单转差性能。

技术特征：

1.一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于：包括依次连通的单转差放大电路、第一级缓冲电路、第一级间匹配电路、第二级缓冲电路、第二级间匹配电路；

2.根据权利要求1所述的一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于：所述的单转差放大电路包括耦合电感l1和l2、电容c1、电容c2、电感l3、场效应管m1和变压器t1，所述耦合电感l1和电容c1并联，耦合电感l1的一端接地，另一端连接所述耦合电感l2的一端，耦合电感l2的另一端通过电容c2连接场效应管m1的栅极，场效应管m1的源极通过电感l3接地，场效应管m1的漏极连接所述变压器t1的初级线圈的一端，变压器t1的初级线圈的另一端接电源vdd，接收到的单端输入信号rfin输入到所述耦合电感l1和耦合电感l2之间，变压器t1的次级线圈的两端输出差分信号，连接到所述第一级缓冲电路的两个输入端。

3.根据权利要求1所述的一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于：所述的第一级缓冲电路包括场效应管m2a和m2b，所述的场效应管m2a和m2b的源极均接地，所述的场效应管m2a和m2b的栅极作为第一级缓冲电路的输入端交叉连接到所述场效应管m2b和m2a的漏极，所述的场效应管m2a和m2b的漏极作为第一级缓冲电路的输出，分别连接到所述第一级间匹配电路的两个输入端。

4.根据权利要求3所述的一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于：所述的第一级缓冲电路还包括连接在所述场效应管m2a的源极和接地端的电感l4a和连接在所述场效应管m2b的源极和接地端的电感l4b。

5.根据权利要求3所述的一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于：所述的第一级缓冲电路还包括中和电容c3，所述中和电容c3连接在场效应管m2a栅极和所述场效应管m2b漏极之间，同时还连接在场效应管m2b栅极和所述场效应管m2a漏极之间。

6.根据权利要求1所述的一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于：所述的第一级间匹配电路包括六端口变压器t2，所述六端口变压器t2的初级线圈的两端连接所述第一级缓冲电路的输出，六端口变压器t2的初级线圈的中间抽头接电源vdd，六端口变压器t2的次级线圈的两端输出差分信号，连接到所述第二级缓冲电路的两个输入端。

7.根据权利要求6所述的一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于：所述的第一级间匹配电路还包括电容c4，所述电容c4的一端接地，另一端接电源vdd。

8.根据权利要求6所述的一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于所述六端口变压器t2为基于两个平面电感线圈之间耦合效应构建的对称六端口片上变压器。

技术总结
本发明公开了一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，属于无线通信技术领域，包括依次连通的单转差放大电路、第一级缓冲电路、第一级间匹配电路、第二级缓冲电路、第二级间匹配电路。单转差放大电路用于对单端输入信号RF<subgt;in</subgt;放大并转换为差分信号，完成阻抗和噪声匹配同步实现；第一级缓冲电路与第二级缓冲电路结构相同，均用于对所述单转差放大电路输出的差分信号进行滤波放大处理和相位幅度调整；第一级间匹配电路与第二级间匹配电路结构相同，均用于实现级间和输出匹配、进一步平衡差分信号的相位幅度并输出差分信号。本发明能够实现超宽带低噪声放大器的设计，并且在较大带宽内具有优异的单转差分性能。

技术研发人员：刘依玟,余益明,段东铭,赵晨曦,吴韵秋,康凯
受保护的技术使用者：成都通量科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13