[发明专利]一种毫米波单片集成低噪声放大器

说明书

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及毫米波单片集成低噪声放大器(LNA)，可直接应用于雷达、通讯等系统。

背景技术

现今，大多数毫米波接收机是外差式电路，为了检测小信号一般都在前级用低噪声放大器放大接收信号来克服后级的噪声。低噪声放大器是毫米波接收前端系统的关键单元之一，它位于接收机的第一级，直接与天线信号相连。由于其位于接收机的第一级，所以它的噪声特性将大大影响整个系统的噪声特性。同时天线下来的信号一般较弱，低噪声放大器本身具有的噪声特性所引起的灵敏度将影响到是否能正确接收信号，并把有用信号完整的传输到下一级。同时，低噪声放大器需要呈现一个特定的输入阻抗，以便和天线实现阻抗匹配。

LNA的一般要求为噪声系数低、增益高。在接收链路中，后面级的噪声可由LNA的增益引入，并且LNA的噪声被直接注入所接收的信号。因此，LNA必须提高所希望的信号功率并同时加入尽量少的噪声和失真，以便能在系统后面级中重获该信号。

目前普遍应用的低噪声放大器多为混合电路和模块电路，主要实现方式是通过单个晶体管和外围匹配电路组成，这类低噪声放大器的主要缺点有：体积大、一致性不好等。

随着微波毫米波通信技术的迅速发展，人们对通信设备的要求越来越高，体积小，重量轻，可靠性高，稳定性好等优点使得微波单片集成电路(MMIC)在微波通信领域逐渐取代了波导系统和混合集成电路。

微波单片集成电路是用半导体工艺把有源器件、无源器件和微波传输线、互连线等全部制作在一片砷化镓或硅片上而构成的集成电路。

发明内容

本发明提供一种基于PHMET工艺的毫米波波段单片低噪声放大器，以克服混合低噪声放大器电路中一致性差、体积大和单片集成低噪声放大器中噪声系数与带宽、输入匹配间的矛盾、工作带宽窄，输入阻抗匹配困难的缺点，在保证低的噪声的同时，提高单片低噪声放大器的驻波性能使其达到体积小一致性好的目的。

本发明技术方案为：

一种毫米波单片集成低噪声放大器，如图4所示，包括输入朗格电桥、输出朗格电桥、连接于输入朗格电桥的直通输出端和输出朗格电桥直通输入端的第一放大支路、连接于输入朗格电桥的耦合输出端和输出朗格电桥耦合输入端的第二放大支路。整个放大器电路集成于单片砷化镓或硅片上。

所述第一放大支路和第二放大支路为相同的电路结构，均为五级放大电路结构。所述五级放大电路结构中，每一级放大单元之间通过隔直耦合电容相连；第五级放大单元与输出朗格电桥之间也通过隔直耦合电容相连。所述每一级放大单元均为相同的电路结构：放大器件为PHEMT三级管，其栅极与栅极匹配及偏置电路相连，其源极通过源极匹配及偏置电路接地，其漏极通过漏极匹配及偏置电路输出本级放大信号。所述栅极匹配及偏置电路为一个T型微带传输线，T型微带传输线的垂直端接地，T型微带传输线的水平右端接PHEMT三级管的栅极，PHEMT三级管的水平左端接本级放大单元的输入信号。所述源极匹配及偏置电路由一段微带传输线和一个RC并联支路相串联而成。所述漏极匹配及偏置电路由一个T型微带传输线、漏极偏置电压信号Vds和一个旁路电容构成：漏极偏置电压信号Vds通过旁路电容接地的同时接T型微带传输线的垂直端，T型微带传输线的水平左端接PHEMT三级管的漏极，T型微带传输线的水平右端输出本级放大单元的放大输出信号。

本发明技术方案具有以下一些特点：

一、在提高低噪声放大器的噪声性能方面，本发明：

(1)选择栅长更短的FET工艺。栅长越短，跨导gm越大，栅源电容Cgs越小，这些都对减小噪声系数有利。

(2)选择载流子迁移率高的FET工艺，迁移率越高，跨导gm越大，噪声越小。这也是为什么PHEMT工艺噪声性能优于HEMT和MESFET工艺的原因。

(3)折衷选择器件的栅宽和叉指数，做到既降低Rn、Rg、RS，又兼顾Cgs。

(4)合理选择器件的直流偏置点。据工程经验，噪声最小值的工作电流在漏源饱和电流的10％到15％之间。

二、在提高增益、减小噪声方面，本发明采用了输入共轭匹配和噪声匹配同时实现低噪声放大器：