一种采用变压器磁耦合技术的W波段高增益低噪声放大器

本发明属于毫米波集成电路，涉及一种采用变压器磁耦合技术的w波段高增益低噪声放大器。

背景技术：

1、毫米波相控阵系统由于其能够显著提高无线设备的工作距离、传输速度等方面的性能，成为了下一代无线通信和车载雷达等应用最有潜力的技术。毫米波低噪声放大器作为毫米波相控阵无线接收系统中的第一个有源放大模块，对整个接收链路的增益和噪声性能起着决定性的影响，因此增益和噪声系数是设计低噪声放大器时需要重点优化和保证的性能指标。较低的增益无法抑制后级电路引入的噪声，同时也无法为系统提供足够的增益，导致信号传输距离变短；而较大的噪声系数会恶化系统的接收灵敏度，使得数据传输速率变低。因此，设计一款高增益低噪声放大器对毫米波无线接收系统至关重要。

2、传统的低噪声放大器的结构主要有共射结构、共基结构和共射共基结构。共射结构低噪声放大器通常使用电感性负载，该电感负载与输出节点的寄生电容和下一级节点的输入电容形成lc谐振，实现选频，同时在谐振频率处实现高输出阻抗，提高增益。但是由于晶体管基极和集电极之间寄生电容的存在，共射极低噪声放大器在输入端很容易引入负阻，导致放大器不稳定。共基结构低噪声放大器的射频信号从发射极输入，从集电极输出，也采用电感性负载。通过调节共基管的跨导来实现输入匹配，在宽带低噪声放大器中应用广泛，但是与共射极低噪声放大器相比，共基极低噪声放大器的增益较低。共射共基结构低噪声放大器是指将共射晶体管和共基晶体管以串联的形式堆叠在一起。由于共射共基低噪声放大器的第一级是共射极晶体管，所以它的输入阻抗和噪声等特性与共射极放大器类似，但它相对于共射极放大器需要更高的电源电压。共射共基结构消除了共射放大器存在的密勒效应，具有很好的反向隔离特性。同时由于在共射管上堆叠了共基管，提高了输出阻抗，从而使得共射共基结构相比于单纯共射或者共基结构具有更高的增益。另外，可以在传统的共射共基结构上继续堆叠共基管，进一步提升输出阻抗获得更高的增益，但是相应的电源电压也会增大。

3、随着现代毫米波通信系统的发展，载波应用频段已拓展至w及以上波段。由于衬底的高频损耗和趋肤效应，无源器件的损耗在毫米波频段不断变大，因此匹配网络的插入损耗随之变大，使得电路的增益和噪声恶化严重。对于w及以上波段，已经十分接近工艺厂商提供的晶体管模型的截止频率，晶体管的小信号电流增益趋近于1，同时晶体管的寄生电容导致增益和噪声性能恶化严重，使得高增益低噪声放大器的设计变得十分困难。

技术实现思路

1、为了解决当前毫米波低噪声放大器存在的噪声大、增益低的问题，本发明提供了一种采用变压器磁耦合技术的w波段高增益低噪声放大器。本发明所采用的技术方案是：

2、一种采用变压器磁耦合技术的w波段高增益低噪声放大器，包括依次相连的第一级共射共基结构放大器、级间增强型磁耦合变压器和第二级共基堆叠共基结构放大器；

3、所述级间增强型磁耦合变压器用于将所述第一级共射共基结构放大器和所述第二级共基堆叠共基结构放大器的电路阻抗匹配，并将所述第一级共射共基结构放大器的信号耦合到所述第二级共基堆叠共基结构放大器。

4、在本发明的一个实施例中，所述级间增强型磁耦合变压器包括由两圈电感围成的初级线圈和由一圈电感围成的次级线圈，所述初级线圈的第一端连接所述第一级共射共基结构放大器的输出端，所述初级线圈的第二端连接直流输入端vcc1，所述次级线圈的第一端连接地，所述次级线圈的第二端连接所述第二级共基堆叠共基结构放大器的输入端。

5、在本发明的一个实施例中，所述第二级共基堆叠共基结构放大器包含第一共基晶体管q3、第二共基晶体管q4、基极偏置电感l9、级间串联电感l10、第一共基晶体管基极稳定电容c3、第二共基晶体管基极稳定电容c4、输出匹配网络和增益提升结构二；

6、所述级间增强型磁耦合变压器与所述第一共基晶体管q3的发射极连接，所述第一共基晶体管q3的集电极连接所述级间串联电感l10的第一端；

7、所述基极偏置电感l9的第一端连接所述第一共基晶体管q3的基极和所述第一共基晶体管基极稳定电容c3的第一端，所述基极偏置电感l9的第二端连接直流输入端vb2，所述第一共基晶体管基极稳定电容c3的第二端连接地；

8、所述第二共基晶体管q4的发射极连接所述级间串联电感l10的第二端，所述第二共基晶体管q4的基极连接所述第二共基晶体管基极稳定电容c4的第一端，所述第二共基晶体管q4的集电极和基极连接所述增益提升结构二的第一端；

9、所述第二共基晶体管基极稳定电容c4的第二端连接地，所述增益提升结构二的第二端连接直流输入端vcas2和所述输出匹配网络的第一端，所述输出匹配网络的第二端连接直流输入端vcc2和射频信号输出端out。

10、在本发明的一个实施例中，所述增益提升结构二包括变压器tf3的电感l11和电感l12；

11、所述第二共基晶体管q4的基极连接所述第二共基晶体管基极稳定电容c4的第一端和所述电感l11的第一端，所述第二共基晶体管q4的集电极连接所述电感l12的第一端；

12、所述电感l11的第二端连接所述直流输入端vcas2，所述电感l12的第二端连接所述输出匹配网络的第一端。

13、在本发明的一个实施例中，所述输出匹配网络包括电感l13、电感l14、电容c5和电容c6；

14、所述电感l13的第一端连接所述电感l12的第二端和所述电感l14的第一端，所述电感l13的第二端连接所述直流输入端vcc2；

15、所述电感l14的第二端连接所述电容c5的第一端，所述电容c5的第二端连接所述电容c6的第一端和所述射频信号输出端out，所述电容c6的第二端连接地。

16、在本发明的一个实施例中，所述第一级共射共基结构放大器包括共射晶体管q1、发射极串联电感l3、共基晶体管q2、级间串联电感l4、共基晶体管基极稳定电容c2、输入匹配网络和增益提升结构一；

17、所述输入匹配网络的第一端连接射频信号输入端in，所述输入匹配网络的第二端连接所述共射晶体管q1的基极和直流输入端vb1；

18、所述共射晶体管q1的发射极连接所述发射极串联电感l3的第一端，所述发射极串联电感l3的第二端连接地，所述共射晶体管q1的集电极连接所述级间串联电感l4的第一端；

19、所述共基晶体管q2的发射极连接所述级间串联电感l4的第二端，所述共基晶体管q2的基极连接所述共基晶体管基极稳定电容c2的第一端，所述共基晶体管基极稳定电容c2的第二端连接地；

20、所述共基晶体管q2的基极和发射极连接所述增益提升结构一的第一端，所述增益提升结构一的第二端连接直流输入端vcas1和所述级间增强型磁耦合变压器。

21、在本发明的一个实施例中，所述增益提升结构一包括变压器tf1的电感l5和电感l6；

22、所述电感l5的第一端连接所述共基晶体管q2的基极，所述电感l5的第二端连接所述直流输入端vcas1；

23、所述电感l6的第一端连接所述共基晶体管q2的发射极，所述电感l6的第二端连接所述级间增强型磁耦合变压器。

24、在本发明的一个实施例中，所述输入匹配网络包括电感l1、电感l2和电容c1；

25、所述电感l1的第一端连接所述射频信号输入端in和所述电容c1的第一端，所述电感l1的第二端连接地，所述电容c1的第二端连接所述共射晶体管q1的基极和所述电感l2的第一端，所述电感l2的第二端连接所述直流输入端vb1。

26、在本发明的一个实施例中，所述级间增强型磁耦合变压器包括变压器tf2的初级线圈电感l7和次级线圈电感l8；

27、所述电感l7的第一端连接所述电感l6的第二端，所述电感l7的第二端连接直流输入端vcc1；

28、所述电感l8的第一端连接地，所述电感l8的第二端连接所述第一共基晶体管q3的发射极。

29、本发明的有益效果：

30、1.本发明的高增益低噪声放大器，将级间增强型磁耦合变压器用于第一级共射共基结构放大器和第二级共基堆叠共基结构放大器电路的阻抗匹配，并将第一级共射共基结构放大器的信号耦合到第二级共基堆叠共基结构放大器，采用增强型磁耦合变压器技术，增加级间变压器的等效耦合系数，能够有效提高低噪声放大器的带宽，减小了级间匹配的复杂度，实现了一种工作在86～100ghz的高增益低噪声放大器，峰值增益可达24db，最小噪声系数4.7db；

31、2.本发明采用的第二级电路为第二级共基堆叠共基结构放大器，可以实现更好的线性度，且第一级共射共基结构放大器和第二级共基堆叠共基结构放大器均采用的变压器增益提升技术，可以在提升增益的同时保持电路的稳定性。