專利名稱：低溫極低噪聲系數(shù)放大電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
低溫極低噪聲系數(shù)放大電路涉及到微波通信電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及接收機前端放大電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線通信，尤其是擴頻制式無線通信技術(shù)在20世紀(jì)60年代進(jìn)入實用以來獲得了廣泛推廣和極大關(guān)注。組成無線通信硬件的主要部分是射頻前端，射頻前端由放大電路和前置濾波電路相連組成，見圖1，信號由射頻天線11接收，通過信號電纜輸入前端處理電路。前端處理電路由濾波器13和低噪聲放大器15組成，工作于低溫真空腔12內(nèi)，溫控儀17控制真空腔保持70K的工作溫度，真空腔中的溫度由和放大器機械接觸的冷頭16測量反饋。此溫度不僅能降低放大電路熱噪聲，同時保真前置濾波器13進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)。信號經(jīng)過前端處理電路的微失真放大后送后級信號處理部分18處理。
接收機前端是無線通信的硬件通道，所有傳輸?shù)男盘柋仨毻ㄟ^射頻前端處理，它放大特定頻段內(nèi)的微弱微波信號，供后級電路處理。由于高頻的關(guān)系射頻前端至目前仍然是模擬制式，模擬電路的一個最大難點是噪聲對信號的劣化。由于被放大的信號幅度微小，所以需要降低放大電路因為電器件的分子熱振動引入的熱噪聲和器件的非線性引入的失真，怎樣減小射頻前端的噪聲成為射頻電路工程一個重要研究領(lǐng)域。衡量射頻前端或者放大電路的重要指標(biāo)有電路的噪聲系數(shù)(定義為輸出信噪比和輸入信噪比的比值)，處理增益，輸入輸出電壓駐波比，線性度。噪聲是一種時域統(tǒng)計指標(biāo)，噪聲系數(shù)實際上是用來度量電路加性噪聲在整體噪聲的比例的一個指標(biāo)，噪聲系數(shù)一般是相對值用dB標(biāo)度，良好的放大電路需要極低的噪聲系數(shù)。為實現(xiàn)無噪放大，必須應(yīng)盡量減少混雜在信號中的無用成分。由于電阻引入熱噪聲，所有的電感電容元件總是具有一定的損耗，電路中過多的元件勢必引入各種獨立噪聲源，所以以噪聲為設(shè)計目標(biāo)的電路和常規(guī)的電路不同之處在于還要考慮將理想元件的統(tǒng)計性質(zhì)計算入實際元件的品質(zhì)因素Q值。
常規(guī)低噪聲設(shè)計在移動通信頻段一般采用兩種形式微帶式電路和基于CMOS技術(shù)微波單片集成電路，但是這兩種方法都不能達(dá)到最優(yōu)性能。即使采用介電常數(shù)高達(dá)10厚度只有0.5mm的基片微帶電路，在射頻范圍片上波長一般為140mm，這樣一個1/4波長變換器的長度為35mm，導(dǎo)致噪聲電路的面積超過應(yīng)用的范圍；而MMIC電路則由于其輸入匹配只能采用具有很低的Q值的片上微帶圖形實現(xiàn)，使整機噪聲性能成為體積縮小的代價，電指標(biāo)不能滿足高性能通信接收機的要求。常規(guī)設(shè)計放大電路的另外一個缺點是使用了集成電路，由于集成電路的封裝引入了另外的寄生電感、電容和電阻效應(yīng)，使這種方法設(shè)計的電路額外增加了噪聲。
目前所公開的低噪聲放大電路的都集中于常規(guī)的集成電路，不能將低溫技術(shù)、混合電路、新輸入匹配、新的電路穩(wěn)定措施施加于降低噪聲的嘗試，因而都只能在室溫的電路噪聲溫度下改善噪聲系數(shù)，不能達(dá)到諸如100K的整體電路噪聲。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出了一種低溫極低噪聲系數(shù)放大電路，該電路能夠同時滿足低噪聲、較大增益、穩(wěn)定性好等要求，同時能夠在低溫下長期工作。
本發(fā)明含有場效應(yīng)管，連接在信號輸入端和所述場效應(yīng)管的柵極之間的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，連接在所述場效應(yīng)管的漏極和信號輸出端之間的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，和連接在所述場效應(yīng)管的源極的接地的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)；其特征在于，所述放大電路是微帶線混合分立元件的微帶混合電路，當(dāng)射頻范圍300MHz～3GHz內(nèi)，其中，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)含有串聯(lián)在信號輸入端和場效應(yīng)管的柵極之間的輸入主微帶線上的微波電容C1、螺旋電感線圈L1，在所述微波電容C1和螺旋電感線圈L1之間的輸入主微帶線上，垂直于輸入主微帶線聯(lián)接一條接地的長度小于1/4工作波長的分支微帶線，在該分支微帶線上依次串聯(lián)一個阻值小于30Ω的電阻R1，和兩個并聯(lián)接地的濾波電容C3和C5，在所述濾波電容C3和C5的兩端引入直流偏置電源Vg；所述螺旋電感線圈L1是直立放置的，其輸入端和輸出端所連接的輸入主微帶線是平行分布的；所述輸入主微帶線是實現(xiàn)50Ω阻抗的微帶線；輸出匹配網(wǎng)絡(luò)含有串聯(lián)在所述場效應(yīng)管的漏極和信號輸出端之間的輸出主微帶線上的電阻R2和隔直電容C6，在所述電阻R2和電容C6之間的輸出主微帶線上，垂直于輸出主微帶線聯(lián)接一條接地的分支微帶線，其長度小于1/4工作波長；在該分支微帶線上依次串聯(lián)一個阻值為50～200Ω的電阻R3和兩個并聯(lián)接地的濾波電容C7和C8，在該濾波電容C7和C8的兩端引入直流偏置電源Vd；所述輸出主微帶線是一段實現(xiàn)50Ω的微帶線，所述電阻R2的阻值是電阻R3的1/10～1/5；負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)含有分別聯(lián)接在所述場效應(yīng)管的兩個源極，并各自沿垂直于所述輸入/輸出主微帶線的方向反向延伸接地的兩條呈感性的微帶線，所述兩條微帶線的長度小于1/10工作波長。
試驗證明，本發(fā)明能夠同時滿足低噪聲、較大增益、低駐波比、高線性度要求，能夠在低溫下長期工作，達(dá)到了預(yù)期的目的。


圖1是接收機前端系統(tǒng)框圖；圖2是接收機前端放大電路的常規(guī)設(shè)計框圖；
圖3是本放大電路的電路原理圖；圖4是本發(fā)明實施例的電路分布示意圖；圖5是螺旋電感線圈直立方式放置的示意圖；圖6是本發(fā)明在CDMA頻段噪聲系數(shù)與頻率的關(guān)系圖；圖7是本發(fā)明在CDMA頻段電壓駐波比與頻率的關(guān)系圖；圖8是本發(fā)明在CDMA頻段電路增益于頻率的關(guān)系圖。
具體實施例方式結(jié)合

本發(fā)明的具體實施方式
。本發(fā)明是適用于射頻范圍(300MHz-3GHz)。
如圖2所示，本發(fā)明以場效應(yīng)管HEMT作為放大器件，在場效應(yīng)管的柵極和信號輸入端之間是輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，漏極和信號輸出端之間是輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，源極聯(lián)接的是接地的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。
如圖3所示，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)是T型阻抗網(wǎng)絡(luò)。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)可分為交流部分，包括微帶線S1、微波電容C1、螺旋電感線圈L1電阻R1和微帶線S3；以及直流偏置部分，包括濾波電容C3、C5和引入直流偏置電源的微帶線S4。交流部分只涉及3個分立元件C1、L1、R1，這樣能夠減少熱噪聲源。其中S1是實現(xiàn)50Ω阻抗的輸入主微帶線。C1僅僅為了實現(xiàn)隔直流作用，由于處于輸入主線上，C1的品質(zhì)因素很重要，必須選用高Q微波電容，一般來說Q值大于100，實現(xiàn)的性能較好。相位匹配主要由高品質(zhì)因數(shù)的螺旋線圈電感L1實現(xiàn)，L1是直立放置的(見圖5)，以減小輸入主微帶線的長度，從而減小電路尺寸，其圈數(shù)可以在5圈以下，L1輸入和輸出端所連接的輸入主微帶線是平行分布的，以減小電感漏磁和電場造成晶體管寄生耦合振蕩的現(xiàn)象。電阻R1是串聯(lián)在分支微帶線上的小電阻，其接入點接近分支點，其阻值小于30Ω，電阻R1對噪聲的影響可以忽略，但它是抑制電路帶外振蕩的關(guān)鍵元件，由于射頻工作頻段分立電阻的分布效應(yīng)不明顯本發(fā)明大膽采用了這種傳統(tǒng)微波電路不可能采用的穩(wěn)定電路方式。分支微帶線的末端通過兩個濾除不同頻段的濾波去耦電容C3、C5交流接地，C3和C5分別為100pf和1000pf量級，在濾波電容C3、C5兩端以微帶線S4引入直流偏置電源Vg。分支微帶線S3的長度與傳統(tǒng)電路的不同，采用小于1/4工作波長的微帶線，這樣可以縮小直流偏置占用的面積。在本輸入匹配電路中，螺旋電感線圈L1的輸入端和輸出端所連接的輸入主微帶線平行分布，是由于移動通信射頻接收機對該分布形式不敏感，這樣可以減小電感漏磁和電場造成晶體管寄生耦合振蕩現(xiàn)象。
見負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，由于場效應(yīng)管具有兩個源極引腳，因此采用兩段微帶線S5和S6并聯(lián)，微帶線呈感性。
輸出匹配網(wǎng)絡(luò)也采用T型網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。場效應(yīng)管的漏極連接提高穩(wěn)定性系數(shù)的電阻R2，緊接著連接一段分支微帶線引入直流偏置。在分支微帶線上依次串聯(lián)抑制帶外振蕩的電阻R3和兩個并聯(lián)接地的濾波去耦電容C7和C8，C7和C8分別為100pf和1000pf量級，在C7和C8的兩端以高微波阻抗的微帶線S9引入直流偏置電源Vd。電阻R3用于抑制帶外振蕩，由于輸出回路對噪聲系數(shù)影響甚小，因此可采用50~200Ω電阻衰減帶外信號。電阻R2的阻值為電阻R3的1/10~1/5。支路微帶線S8實現(xiàn)虛部匹配，其長度小于1/4工作波長。S10是實現(xiàn)50歐姆阻抗變換的輸出主微帶線，電容C6用于隔直并聯(lián)接下一級負(fù)載。
如圖4所示，是本發(fā)明在CDMA移動通信825-835MHz頻段的電路分布示意圖。在輸入匹配網(wǎng)絡(luò)中，微波SMA接頭連接信源到50歐姆阻抗微帶線41(S1)，信號經(jīng)隔直流36pf專用微波電容C1，緊接著連接分支微帶線43(S3)，然后聯(lián)接螺旋電感線圈L1，L1的安裝可在陶瓷基片上打出一3mm通孔，將L1垂直于基片直立放入通孔，可減小與基片耦合的損耗，同時也可減小輸入匹配微帶線長度；L1兩端的輸入主微帶線相距3mm平行分布。46是螺旋電感線圈L1的輸出端與場效應(yīng)管的柵極的一個焊腳，從場效應(yīng)管的柵極往信號源看入的阻抗應(yīng)該與場效應(yīng)管的最佳噪聲匹配點共軛。晶體管的最佳噪聲輸入阻抗經(jīng)過螺旋電感L1和焊腳46進(jìn)行相位變換，然后并聯(lián)分支微帶線，實現(xiàn)阻抗虛部匹配。輸入主線上聯(lián)接的分支微帶線43(S3)總長為30mm，在微帶線接近與主線節(jié)點的地方串聯(lián)抑制帶外振蕩的22歐姆電阻R1，分支微帶線在中部彎曲90度并延伸至末尾并聯(lián)兩個接地濾波電容C3(200pf)和C5(2000pf)，兩個濾波電容兩端通過高微波阻抗的微帶線414(S4)引入直流偏置電源Vg。在輸入匹配網(wǎng)絡(luò)中，微波隔直流電容C1采用專用高Q電容，電感L1采用Ag鍍層以提高品質(zhì)因數(shù)Q，其線徑大小、螺旋半徑以及圈數(shù)可以經(jīng)過模型計算仿真和諧振點測量選擇而得到，如采用3圈，直徑為3mm，這些措施可以減小電路的損耗。源極負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)是兩條感性微帶線47(S5)和48(S6)，負(fù)反饋線長度一般不大于1/4工作波長，實際中往往在1/10工作波長以下，以保證寄生參量可以忽略。兩段微帶線應(yīng)垂直于主微帶線，并相互呈反方向延伸，然后接地。其寬均為1.2mm，長度均為7.8mm，微帶線47通過3個直徑0.8mm過孔與地相連，微帶線48卷邊接地，可以縮小電路尺寸。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中，放大信號從場效應(yīng)管的漏極輸出，經(jīng)過電阻R2提高穩(wěn)定性系數(shù)，電阻R2的阻值為R3的1/8。緊接著聯(lián)接分支微帶線411(S8)，在分支微帶線411接近分支線與主線節(jié)點的地方串聯(lián)一個抑制帶外振蕩的電阻R3，其阻值為100歐姆；分支微帶線的寬度0.3mm，長度9mm，末端通過C7(200pf)和C8(2000pf)電容經(jīng)過通孔接地，在濾波電容兩端用高微波阻抗的微帶線413(S9)引入直流偏置電源Vd。實現(xiàn)50Ω阻抗的微帶線412(S10)串聯(lián)一個36pf隔直電容C6后連接下一級負(fù)載。為了不影響無源微波電路和與微波環(huán)境絕緣，本發(fā)明的整個電路封裝在和電路基片面積相同的金屬盒中，該金屬盒接地，為了使基片良好接地，由于環(huán)境溫度變化達(dá)到200K，通過熱膨脹系數(shù)與基片相近的金屬銦與金屬盒底焊接在一起，以保證低溫下電路不脫落。
綜上所述，本發(fā)明通過以下特點達(dá)到低噪聲、較大增益、穩(wěn)定性好，能夠在低溫下長期工作的要求1、低噪聲主要來源于輸入網(wǎng)絡(luò)，采用高Q值的螺旋電感線圈L1，高Q值微波電容C1使輸入電路的損耗減小，因而降低噪聲。
2、穩(wěn)定性L1兩端的輸入雙平行微帶線結(jié)構(gòu)，減小寄生參量；R1，R2、R3為小電阻，提高輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗的實部值；負(fù)反饋的長度小于1/10工作波長，減少寄生振蕩；3、較大增益R2、R3的阻值大小的配合使增益較大；4、在低溫下長期工作微帶混合結(jié)構(gòu)，減小電路尺寸，使其適于低溫超導(dǎo)環(huán)境。
在對本發(fā)明進(jìn)行各項性能實驗，得到如圖6、7、8所示結(jié)構(gòu)，可見本發(fā)明在CDMA頻段內(nèi)其噪聲系數(shù)51低于0.38dB，其輸入反射系數(shù)61小于-16.5dB，其增益比71大于17.2dB。本發(fā)明的尺寸僅為22mm*35m，功耗為20mW。由此可見，本發(fā)明采用微帶混合分立元件的方式，使射頻接收機前端的放大電路同時具備了低噪聲、較大增益、穩(wěn)定性好、尺寸小等要求，能夠在低溫下長期工作，應(yīng)用于接收機前端時能夠達(dá)到很好的效果。
權(quán)利要求
1.低溫極低噪聲系數(shù)放大電路，含有場效應(yīng)管，連接在信號輸入端和所述場效應(yīng)管的柵極之間的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，連接在所述場效應(yīng)管的漏極和信號輸出端之間的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，和連接在所述場效應(yīng)管的源極的接地的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)；其特征在于，所述放大電路是微帶線混合分立元件的微帶混合電路，當(dāng)射頻范圍300MHz～3GHz內(nèi)，其中，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)含有串聯(lián)在信號輸入端和場效應(yīng)管的柵極之間的輸入主微帶線上的微波電容C1、螺旋電感線圈L1，在所述微波電容C1和螺旋電感線圈L1之間的輸入主微帶線上，垂直于輸入主微帶線聯(lián)接一條接地的長度小于1/4工作波長的分支微帶線，在該分支微帶線上依次串聯(lián)一個阻值小于30Ω的電阻R1，和兩個并聯(lián)接地的濾波電容C3和C5，在所述濾波電容C3和C5的兩端引入直流偏置電源Vg；所述螺旋電感線圈L1是直立放置的，其輸入端和輸出端所連接的輸入主微帶線是平行分布的；所述輸入主微帶線是實現(xiàn)50Ω阻抗的微帶線；輸出匹配網(wǎng)絡(luò)含有串聯(lián)在所述場效應(yīng)管的漏極和信號輸出端之間的輸出主微帶線上的電阻R2和隔直電容C6，在所述電阻R2和電容C6之間的輸出主微帶線上，垂直于輸出主微帶線聯(lián)接一條接地的分支微帶線，其長度小于1/4工作波長；在該分支微帶線上依次串聯(lián)一個阻值為50～200Ω的電阻R3和兩個并聯(lián)接地的濾波電容C7和C8，在該濾波電容C7和C8的兩端引入直流偏置電源Vd；所述輸出主微帶線是一段實現(xiàn)50Ω的微帶線，所述電阻R2的阻值是電阻R3的1/10～1/5；負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)含有分別聯(lián)接在所述場效應(yīng)管的兩個源極，并各自沿垂直于所述輸入/輸出主微帶線的方向反向延伸接地的兩條呈感性的微帶線，所述兩條微帶線的長度小于1/10工作波長。
全文摘要
低溫極低噪聲系數(shù)放大電路涉及到微波通信電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及接收機前端放大電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。其特征是，它采用微帶混合電路，在輸入匹配網(wǎng)絡(luò)中采用高Q值的螺旋電感線圈、高Q值電容，使輸入電路損耗減小而降低噪聲；螺旋電感線圈兩端采用雙平行微帶線結(jié)構(gòu)，減小寄生參量；負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的微帶線長度小于1/10工作波長，減少了寄生振蕩；輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中采用串聯(lián)小電阻提高了阻抗的實部值；輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中主線和分支線串聯(lián)的電阻大小適當(dāng)配合使增益較大；輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)連接小于1/4工作波長的分支線減小了電路尺寸，使電路能在低溫下長期工作。本發(fā)明同時滿足低噪聲、較大增益、低駐波比和能夠在低溫下長期工作等要求。
文檔編號H04B1/10GK1545214SQ20031011539
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月21日
發(fā)明者曹必松, 張曉平, 高飛, 郜龍馬, 高葆新 申請人:清華大學(xué)