一种基于介质集成悬置线的低噪声放大器

技术领域

本发明涉及射频微波电路领域，特别是一种基于介质集成悬置线的低噪声放大器。

背景技术

放大器作为通信系统收发机中的关键部件，主要是把输入讯号的电压或功率进行放大，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电子元件组成。放大器在放大信号的同时也放大了噪声，噪声越大，对信号的接收干扰越大，特别是当有用信号较弱时，噪声的影响就更为突出，严重时会使有用信号淹没在噪声之中而无法接收。

目前市面上的车载雷达使用频率主要集中在24GHz，60GHz和77GHz，由于60GHz和77GHz车载雷达频率较高，对其前端的微波组件性能要求更为严格，需要更精密的技术，随之成本也更高，24GHz在车载雷达的使用中具有普适性并且工作频率一般为23.75GHz～24.25GHz。

传统的车载雷达接收机中一般使用悬置微带线，传统悬置微带线存在接地面积小，接地效果差，需要定制化加工成本高昂的金属盒子来实现整体电路的自封装，很大程度上提高了电路加工成本以及电路的重量和体积且装配复杂，在电路封装过程中存在较大的误差，导致电路稳定性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于介质集成悬置线的低噪声放大器，解决传统24GHz车载雷达接收机存在需要额外定制金属屏蔽壳体、电路的稳定性较差和噪声系数较大的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于介质集成悬置线的低噪声放大器，用于频率为23.75GHz～24.25GHz的车载雷达接收机，基于介质集成悬置线平台，包括输入匹配网络、场效应晶体管、栅极偏置电路、漏极偏置电路、栅极稳定电路、输出匹配网络、偏置分压电路和稳压电源。

输入匹配网络的一端与射频信号的输入端连接，输入匹配网络的另一端分别与栅极偏置电路和栅极稳定电路的第一端连接，栅极稳定电路的第二端与场效应晶体管的栅极连接，场效应晶体管源极接地，场效应晶体管的漏极和漏极偏置电路均与输出匹配网络的一端连接，输入匹配网络的另一端与射频信号的输出端连接；稳压电源的一端接地，稳压电源的另一端与偏置分压电路的一端连接，偏置分压电路的另一端接地。

偏置分压电路包括串联的电阻R5和电阻R6,电阻R5的一端与稳压电源的另一端连接，电阻R5的另一端与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端接地。

输入匹配网络包括输入端口Port1、电容C1、第一微带线和第二微带线，电容C1的一端和输入端口Port1的一端均与射频信号的输入端连接，输入端口Port1的另一端接地；电容C1的另一端与第一微带线的一端均与第二微带线的一端连接，第二微带线的另一端与栅极偏置电路连接。

栅极偏置电路包括电感L1、电阻R1、电阻R2、旁路电容C2和旁路电容C3，电感L1的一端分别与第二微带线的另一端和栅极稳定电路的第一端连接，电感L1的另一端分别与电阻R1的一端和旁路电容C2的一端连接，旁路电容C2的另一端接地，电阻R1的另一端分别与电阻R2的一端和旁路电容C3的一端连接，旁路电容C3的另一端接地，电阻R2的另一端与电阻R6的一端连接。

漏极偏置电路包括电感L2、电阻R3、旁路电容C4和旁路电容C5，电感L2的一端分别与场效晶体管的漏极和输出匹配网络的一端连接，电感L2的另一端分别与电阻R3的一端和旁路电容C4的一端连接，旁路电容C4的另一端接地，电阻R3的另一端分别与电阻R5的一端和旁路电容C5的一端连接，旁路电容C5的另一端接地。

输出匹配网络包括第三微带线、第四微带线、电容C6和输出端口Port2，第三微带线的一端与电感L2的一端连接，第三微带线的另一端与第四微带线的一端均与电容C6的一端连接，电容C6的另一端和输出端口Port2的一端均与射频信号的输出端连接，输出端口Port2的另一端接地。

栅极稳定电路包括并联的电阻R4和电容C7。

稳压电源为大小为5V的直流恒压电源。

场效应晶体管为AVAGO公司的VMMK-1225型号的PHEMT晶体管。

低噪声放大器设置在介质集成悬置线平台上，介质悬置集成线平台包括五层自上而下叠压的双面印刷电路板，第二层和第四层电路板分别镂空并形成空腔，第三层电路板上、下表面设计有放大器电路，第一层和第三层电路板、第三层和第五层电路板之间形成空腔结构。

介质集成悬置线平台的第一层、第二层、第四层和第五层电路板的中间介质采用Fr4，第三层电路板的中间介质采用Rogers5880。

本发明的有益效果是：

本发明解决了传统放大器需要额外定制金属屏蔽壳体造成成本高、体积大和装配复杂的问题，基于介质集成悬置线的平台，低噪声放大器还具有损耗低、一体化集成、尺寸小、电磁屏蔽和成本低的优点，适用于频率为24GHz的车载雷达接收机中的放大器，采用单电源供电方式，偏置采取电阻分压的方式，偏置电路还引入了扼流电感和旁路电容以防止射频信号进入直流通路，通过栅极稳定电路的设计，使得电路的稳定系数Stabfact大于1，电路的稳定性较好，输入匹配部分遵循最小噪声系数匹配原则，输出部分遵循最大传输功率匹配原则进行匹配，使得噪声系数较小，具有对信号的干扰小的优点。

附图说明

图1为本发明中基于介质集成悬置线的低噪声放大器的电路原理图；

图2为本发明中基于介质集成悬置线的低噪声放大器的三维电路实际模型图；

图3为本发明中基于介质集成悬置线的低噪声放大器的第三层介质电路板的俯视图；

图4为输入回波损耗S11的信号增益曲线图；

图5为输出回波损耗S22的信号增益曲线图；

图6为增益S21的信号增益曲线图

图7噪声系数的曲线图；

图8为电路稳定系数的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制但本发明的保护范围不局限于以下所述。

实施例1

一种基于介质集成悬置线的低噪声放大器，用于频率为23.75GHz～24.25GHz的车载雷达接收机，基于介质集成悬置线平台，包括输入匹配网络、场效应晶体管、栅极偏置电路、漏极偏置电路、栅极稳定电路、输出匹配网络、偏置分压电路和稳压电源。

输入匹配网络的一端与射频信号的输入端连接，输入匹配网络的另一端分别与栅极偏置电路和栅极稳定电路的第一端连接，栅极稳定电路的第二端与场效应晶体管的栅极连接，场效应晶体管源极接地，场效应晶体管的漏极和漏极偏置电路均与输出匹配网络的一端连接，输入匹配网络的另一端与射频信号的输出端连接；稳压电源的一端接地，稳压电源的另一端与偏置分压电路的一端连接，偏置分压电路的另一端接地。

偏置分压电路包括串联的电阻R5和电阻R6,电阻R5的一端与稳压电源的另一端连接，电阻R5的另一端与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端接地。

输入匹配网络包括输入端口Port1、电容C1、第一微带线和第二微带线，电容C1的一端和输入端口Port1的一端均与射频信号的输入端连接，输入端口Port1的另一端接地；电容C1的另一端与第一微带线的一端均与第二微带线的一端连接，第二微带线的另一端与栅极偏置电路连接。

栅极偏置电路包括电感L1、电阻R1、电阻R2、旁路电容C2和旁路电容C3，电感L1的一端分别与第二微带线的另一端和栅极稳定电路的第一端连接，电感L1的另一端分别与电阻R1的一端和旁路电容C2的一端连接，旁路电容C2的另一端接地，电阻R1的另一端分别与电阻R2的一端和旁路电容C3的一端连接，旁路电容C3的另一端接地，电阻R2的另一端与电阻R6的一端连接。

漏极偏置电路包括电感L2、电阻R3、旁路电容C4和旁路电容C5，电感L2的一端分别与场效晶体管的漏极和输出匹配网络的一端连接，电感L2的另一端分别与电阻R3的一端和旁路电容C4的一端连接，旁路电容C4的另一端接地，电阻R3的另一端分别与电阻R5的一端和旁路电容C5的一端连接，旁路电容C5的另一端接地。

输出匹配网络包括第三微带线、第四微带线、电容C6和输出端口Port2，第三微带线的一端与电感L2的一端连接，第三微带线的另一端与第四微带线的一端均与电容C6的一端连接，电容C6的另一端和输出端口Port2的一端均与射频信号的输出端连接，输出端口Port2的另一端接地。

栅极稳定电路包括并联的电阻R4和电容C7。

稳压电源为大小为5V的直流恒压电源。

场效应晶体管为AVAGO公司的VMMK-1225型号的PHEMT晶体管。

低噪声放大器设置在介质集成悬置线平台上，介质悬置集成线平台包括五层自上而下叠压的双面印刷电路板，第二层和第四层电路板分别镂空并形成空腔，第三层电路板上、下表面设计有放大器电路，第一层和第三层电路板、第三层和第五层电路板之间形成空腔结构。

介质集成悬置线平台的第一层、第二层、第四层和第五层电路板的中间介质采用Fr4，第三层电路板的中间介质采用Rogers5880。

本实施例中，如图1所示，基于介质基板的放大器采用AVAGO公司的VMMK-1225型号的PHEMT晶体管，采用输入端口Port1和第一微带线并联、电容C1和第二微带线串联组成的输入匹配网络；采用电感L1、电阻R1和电阻R2串联、两个并联旁路电容C2和C3所组成的栅极偏置电路；采用电感L2、电阻R3和旁路电容C5串联，旁路电容C4接地所组成的漏极偏置电路；采用第三微带线和电容C6串联、第四微带线和输出端口Port2并联的输出匹配网络；采用电阻R4和电容C7组成的栅极稳定电路，采用电阻R5和电阻R6串联、栅极偏置电路和漏极偏置电路并联在电阻R5两端的偏置分压电路；采用5V直流恒压电源供电，RFin为射频输入端口，RFout为射频输出端口，组成所述基于介质集成悬置线的低噪声放大器的各元件为：R1＝50欧姆,R2＝10000欧姆,R3＝122欧姆,R4＝5欧姆,R5＝2170欧姆,R6＝356欧姆。

如图2和图3所示，图2为本发明中基于介质集成悬置线的低噪声放大器的三维电路实际模型图；图3为本发明中基于介质集成悬置线的低噪声放大器的第三层介质电路板的俯视图。本实施例中，介质集成悬置线平台包括5层自上而下叠压的双面印刷电路板，即包括M1到M10共10层金属层，每层电路板的两层金属之间填充介质，第一到第五层介质板的中间板材依次为FR4，Fr4，Rogers5880，Fr4，FR4，第一层、第二层、第四层和第五层介质板的厚度均为0.53mm，第三层介质板的厚度为0.254mm，第一层、第二层、第四层和第五层的相对介电常数为4.4，第三层的介电常数为2.2。基于介质集成悬置线的低噪声放大器的电路设在第三层介质板的上下表面，即M5和M6层。第二层和第四层介质板分别被镂空，从而保证第一层和第三层，及第三层和第五层分别构成2个空气腔。

本实施例中，一种基于介质集成悬置线的低噪声放大器，核心频率为24GHz，所实现的电路尺寸为37.44mm×19.45mm，解决了当前放大器体积大，需要定制额外金属屏蔽壳体封闭的问题，同时，基于介质集成悬置线的平台，该低噪声放大器还具有损耗低、一体化集成、电磁屏蔽、成本低的优点。

如图4～6所示，为本实施例1提供的一种基于介质集成悬置线的低噪声放大器在24GHz频率下仿真获得的回波损耗和信号增益曲线图，输入回波损耗S11＝-27.772dB，输出回波损耗S22＝-24.818dB，匹配良好，增益S21＝13.828dB。

如图7～8所示，在24GHz的频率下，迭代的次数为10次，得到的噪声系数NF＝0.815dB，电路稳定系数Stabfact＝1.055>1，噪声系数较小，电路稳定性较高。

本发明解决了传统放大器需要额外定制金属屏蔽壳体造成成本高、体积大和装配复杂的问题，基于介质集成悬置线的平台，低噪声放大器还具有损耗低、一体化集成、尺寸小、电磁屏蔽和成本低的优点，适用于频率为24GHz的车载雷达接收机中的放大器，采用单电源供电方式，偏置采取电阻分压的方式，偏置电路还引入了扼流电感和旁路电容以防止射频信号进入直流通路，通过栅极稳定电路的设计，使得电路的稳定系数Stabfact大于1，电路的稳定性较好，输入匹配部分遵循最小噪声系数匹配原则，输出部分遵循最大传输功率匹配原则进行匹配，使得噪声系数较小，具有对信号的干扰小的优点。