[实用新型]一种L波段单路偏压低噪声制冷放大器

说明书

技术领域                                           

本实用新型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。

背景技术

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，它也是低温物理研究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究机构研制：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（NRAO）。各研究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.Weinreb团组和澳大利亚天文台。前者采用异质结双极型锗硅晶体管（HBT SiGe Transistor）研制了制冷低噪放，其工作频带为1-3GHz，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（OIP3）为15.6dBm，输出1dB增益压缩功率（P1）为0dBm。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1dB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（Depletion 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。

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。

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。

实用新型内容

针对背景技术中存在的问题，本实用新型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1dB压缩功率高达15dBm。

本实用新型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，