一种低噪声放大器和射频前端电路

技术领域

本发明涉及毫米波无线通信技术领域，更具体地说，涉及一种低噪声放大器和射频前端电路。

背景技术

相对于微波，毫米波具有波长短、可用频带宽、天线口径小、抗干扰能力强、多普勒效应灵敏度高以及设备尺寸小、重量轻、机动性好等优点，因此，随着毫米波元器件水平的提高，毫米波系统在精确制导、电子对抗、通信技术、无线电遥感、仪器与测量等领域得到了广泛应用。

低噪声放大器是毫米波无线通信系统中接收机前端的第一个模块，主要用于将天线接收的微弱信号放大之后交给接收机后级模块处理。随着无线通信技术的快速发展，要求低噪声放大器不仅要考虑对工作频段信号的放大处理，还要其能覆盖多个频段，在超带宽范围内满足输入和输出匹配、高增益以及低噪声等要求。但是，现有的低噪声放大器的带宽都较窄，不能满足无线通信技术系统对低噪声放大器超带宽的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种低噪声放大器和射频前端电路，以实现宽带的低噪声放大器。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种低噪声放大器，包括依次级联的输入匹配电路、第一级放大晶体管、第一级间匹配电路、第二级放大晶体管、第二级间匹配电路、第三级放大晶体管和输出匹配电路；

所述第一级放大晶体管、所述第二级放大晶体管和所述第三级放大晶体管均用于对其栅极输入的信号进行放大；

所述输入匹配电路与信号输入端相连，所述输入匹配电路用于实现所述信号输入端与所述第一级放大晶体管的栅极之间的阻抗匹配；所述第一级间匹配电路用于实现所述第一级放大晶体管的漏极与所述第二级放大晶体管的栅极之间的阻抗匹配；所述第二级间匹配电路用于实现所述第二级放大晶体管的漏极与所述第三级放大晶体管的栅极之间的阻抗匹配；所述输出匹配电路与信号输出端相连，所述输出匹配电路用于实现所述第三级放大晶体管的漏极与所述信号输出端之间的阻抗匹配；

其中，所述第一级间匹配电路的匹配频点为次高频点；所述第二级间匹配电路的匹配频点为高频点。

可选地，所述第一级放大晶体管、所述第二级放大晶体管和所述第三级放大晶体管均包括GaAs基PHEMT晶体管。

可选地，还包括源极负反馈电路，所述源极负反馈电路与所述第一级放大晶体管的源极相连；

所述源极负反馈电路包括第一微带线。

可选地，所述输入匹配电路包括第二微带线和第一隔直电容；

所述信号输入端与所述第一隔直电容的第一端相连，所述第一隔直电容的第二端与所述第一级放大晶体管的栅极相连；所述第二微带线的第一端与所述第一级放大晶体管的栅极相连，所述第二微带线的第二端与第一电压端相连。

可选地，所述第一级间匹配电路包括第三微带线、第四微带线、第二隔直电容、第五微带线、第六微带线、第七微带线和第八微带线；

所述第三微带线的第一端与所述第一级放大晶体管的漏极相连，所述第三微带线的第二端与所述第二隔直电容的第一端和所述第四微带线的第一端相连，所述第四微带线的第二端与第二电压端相连，所述第二隔直电容的第二端与所述第五微带线和所述第六微带线的第一端相连，所述第六微带线的第二端与所述第七微带线和所述第八微带线的第一端相连，所述第七微带线的第二端与第三电压端相连，所述第八微带线的第二端与所述第二级放大晶体管的栅极相连；

其中，所述第三微带线、所述第四微带线和所述第二隔直电容构成T型结构，所述第五微带线、所述第六微带线、所述第七微带线和所述第八微带线构成Π型结构，所述第一级间匹配电路构成T型级联Π型的匹配结构。

可选地，所述第二级间匹配电路包括第一电阻、第九微带线、第十微带线、第三隔直电容和第二电阻；

所述第一电阻的第一端与所述第二电压端相连，所述第一电阻的第二端与所述第九微带线的第一端相连，所述第九微带线的第二端与所述第二级放大晶体管的漏极相连；所述第三隔直电容的第一端与所述第二级放大晶体管的漏极相连，所述第三隔直电容的第二端与所述第三级放大晶体管的栅极和所述第十微带线的第一端相连，所述第十微带线的第二端与所述第二电阻的第一端相连，所述第二电阻的第二端与所述第三电压端相连；

其中，所述第九微带线、所述第三隔直电容和所述第十微带线构成LCL型匹配结构。

可选地，所述输出匹配电路包括第四隔直电容和第十一微带线；

所述第四隔直电容的第一端与所述第三级放大晶体管的漏极相连，所述第四隔直电容的第二端与所述信号输出端相连，所述第十一微带线的第一端与所述第三级放大晶体管的漏极相连，所述第十一微带线的第二端与所述第二电压端相连。

可选地，所述第一隔直电容、所述第二隔直电容、所述第三隔直电容和所述第四隔直电容的电容值范围为0.2pF-0.6pF。

可选地，所述第二级间匹配电路采用的是有耗匹配的方式，所述输出匹配电路采用的是最小输出反射系数与最大输出功率折衷匹配的方式。

一种射频前端电路，包括如上任一项所述的低噪声放大器。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的低噪声放大器和射频前端电路，低噪声放大器包括依次级联的输入匹配电路、第一级放大晶体管、第一级间匹配电路、第二级放大晶体管、第二级间匹配电路、第三级放大晶体管和输出匹配电路；第一级放大晶体管、第二级放大晶体管和第三级放大晶体管均用于对栅极输入的信号进行放大；输入匹配电路、第一级间匹配电路、第二级间匹配电路和输出匹配电路用于实现阻抗匹配。由于第一级间匹配电路的匹配频点为次高频点，第二级间匹配电路的匹配频点为高频点，因此，可以弥补放大晶体管在高频的增益滚降，进而可以在保证高增益的基础上，增加电路的平坦度，拓展电路带宽，实现宽带的低噪声放大器。并且，本发明提供的低噪声放大器的电路结构较简单，占用芯片面积较小，功耗也较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例提供的一种低噪声放大器的结构示意图；

图2为本发明另一个实施例提供的一种低噪声放大器的结构示意图；

图3为本发明另一个实施例提供的一种低噪声放大器的电路结构示意图；

图4为本发明一个实施例提供的第一级间匹配电路的插入损耗的仿真电路图；

图5为本发明一个实施例提供的第二级间匹配电路的S21仿真结果图；

图6为本发明一个实施例提供的3dB带宽低噪声放大器的原理图版图联合仿真结果图；

图7为本发明一个实施例提供的低噪声放大器的噪声系数仿真结果图；

图8为本发明一个实施例提供的低噪声放大器电路的版图。

具体实施方式

以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种低噪声放大器，具体为一种适用于Ka波段射频前端的宽带低噪声放大器，或，一种适用于射频前端毫米波的宽带低噪声放大器，如图1所示，该低噪声放大器包括依次级联的输入匹配电路00、第一级放大晶体管M1、第一级间匹配电路10、第二级放大晶体管M2、第二级间匹配电路20、第三级放大晶体管M3和输出匹配电路30。

其中，第一级放大晶体管M1、第二级放大晶体管M2和第三级放大晶体管M3均用于对其栅极输入的信号进行放大。输入匹配电路00与信号输入端IN相连，输入匹配电路00用于实现信号输入端IN与第一级放大晶体管M1的栅极之间的阻抗匹配；第一级间匹配电路10用于实现第一级放大晶体管M1的漏极与第二级放大晶体管M2的栅极之间的阻抗匹配；第二级间匹配电路20用于实现第二级放大晶体管M2的漏极与第三级放大晶体管M3的栅极之间的阻抗匹配；输出匹配电路30与信号输出端OUT相连，输出匹配电路30用于实现第三级放大晶体管M3的漏极与信号输出端OUT之间的阻抗匹配。并且，第一级间匹配电路10的匹配频点为次高频点，第二级间匹配电路20的匹配频点为高频点。

由于第一级间匹配电路10的匹配频点为次高频点，因此，可以保证低噪声放大器电路在次高频点处的匹配电路的插损最小，从而可以弥补第二级放大晶体管M2高频的增益滚降。由于第二级间匹配电路20的匹配频点为高频点，因此，可以保证第三级放大晶体管M3在高频点处增益最大，同时可以保证第二级间匹配电路20在高频点处的插损最小，以弥补前级的高频增益滚降，增加电路的平坦度，拓展低噪声放大器的3dB带宽，实现宽带低噪声放大器。

也就是说，本发明实施例中，由于第一级间匹配电路10的匹配频点为次高频点，第二级间匹配电路20的匹配频点为高频点，因此，可以弥补放大晶体管在高频的增益滚降，进而可以在保证高增益的基础上，增加电路的平坦度，拓展电路带宽，实现宽带的低噪声放大器。并且，本发明实施例提供的低噪声放大器的电路结构较简单，占用芯片面积较小，功耗也较小。此外，由于低噪声放大器的电路结构较简单，因此，有利于缩短低噪声放大器的设计周期。

本发明一些实施例中，第一级放大晶体管M1、第二级放大晶体管M2和第三级放大晶体管M3均包括GaAs基PHEMT晶体管。进一步可选地，第一级放大晶体管M1、第二级放大晶体管M2和第三级放大晶体管M3均为0.15um的GaAs基PHEMT晶体管。也就是说，第一级放大晶体管M1、第二级放大晶体管M2和第三级放大晶体管M3均采用GaAs衬底的0.15umE-型PHEMT工艺实现。其中，第一电压端Vgs1的电压和第三电压端Vgs2的电压大于0，第二电压端VDD的电压为3.3V，即电压端的电压均为正值电压，从而大大简化供电系统电路的复杂度。

本发明一些实施例中，如图2所示，低噪声放大器还包括源极负反馈电路40，源极负反馈电路40与第一级放大晶体管M1的源极相连，可选地，源极负反馈电路40包括第一微带线TL1。第一级放大晶体管M1的源极连接第一微带线TL1构成源极负反馈电路40，不仅能够拉近最佳噪声匹配点Γ

在上述任一实施例的基础上，本发明一些实施例中，如图3所示，输入匹配电路00包括第二微带线TL2和第一隔直电容C1。

其中，信号输入端IN与第一隔直电容C1的第一端相连，第一隔直电容C1的第二端与第一级放大晶体管M1的栅极相连；第二微带线TL2的第一端与第一级放大晶体管M1的栅极相连，第二微带线TL2的第二端与第一电压端Vgs1相连。

其中，第二微带线TL2和第一隔直电容C1构成L型的高通匹配电路。可选地，第二微带线TL2的长度为170um，第一隔直电容C1为0.19pF。输入匹配电路00将阻值从50Ω匹配至(28.8+j*15.6)Ω，j＝。

在上述任一实施例的基础上，本发明一些实施例中，如图3所示，第一级间匹配电路10包括第三微带线TL3、第四微带线TL4、第二隔直电容C2、第五微带线TL5、第六微带线TL6、第七微带线TL7和第八微带线TL8。

其中，第三微带线TL3的第一端与第一级放大晶体管M1的漏极相连，第三微带线TL3的第二端与第二隔直电容C2的第一端和第四微带线TL4的第一端相连，第四微带线TL4的第二端与第二电压端VDD相连，第二隔直电容C2的第二端与第五微带线TL5和第六微带线TL6的第一端相连，第六微带线TL6的第二端与第七微带线TL7和第八微带线TL8的第一端相连，第七微带线TL7的第二端与第三电压端Vgs2相连，第八微带线TL8的第二端与第二级放大晶体管M2的栅极相连。

其中，第三微带线TL3、第四微带线TL4和第二隔直电容C2构成T型结构，第五微带线TL5、第六微带线TL6、第七微带线TL7和第八微带线TL8构成Π型结构，第一级间匹配电路10构成T型级联Π型的匹配结构。需要说明的是，第一级间匹配电路10采用T型级联Π型的匹配结构，可以降低Q值，有利于拓展低噪声放大器电路的带宽。

本发明一些实施例中，第一级间匹配电路10的匹配频点为32GHz，作用是使第二级放大晶体管M2在32GHz处增益最大，由第三微带线TL3、第四微带线TL4和第二隔直电容C2构成的T型匹配电路，将阻抗由40.6-j*80.5匹配至50Ω。其中，第二隔直电容C2的作用是隔离直流工作点并且参与匹配节省版图面积。第五微带线TL5、第六微带线TL6、第七微带线TL7和第八微带线TL8构成的Π型匹配结构，可以降低电路Q值，拓展电路带宽，同时这种匹配方式可以缩短微带线长度，节省版图面积。可选地，微带线的长度均小于30deg。图4为本发明一个实施例提供的第一级间匹配电路10的插入损耗的仿真电路图，从图4中可以看出，电路在32GHz处的插入损耗最小。

在上述任一实施例的基础上，本发明一些实施例中，如图3所示，第二级间匹配电路20包括第一电阻R1、第九微带线TL9、第十微带线TL10、第三隔直电容C3和第二电阻R2。

其中，第一电阻R1的第一端与第二电压端VDD相连，第一电阻R1的第二端与第九微带线TL9的第一端相连，第九微带线TL9的第二端与第二级放大晶体管M2的漏极相连；第三隔直电容C3的第一端与第二级放大晶体管M2的漏极相连，第三隔直电容C3的第二端与第三级放大晶体管M3的栅极和第十微带线TL10的第一端相连，第十微带线TL10的第二端与第二电阻R2的第一端相连，第二电阻R2的第二端与第三电压端Vgs2相连；其中，第九微带线TL9、第三隔直电容C3和第十微带线TL10构成LCL型匹配结构。

由于第九微带线TL9、第三隔直电容C3和第十微带线TL10构成的是LCL型匹配结构，因此，可以将第二级放大晶体管M2的输出阻抗共轭值匹配至第三级放大晶体管M3的输入阻抗，从而可以降低电路的Q值，简化电路结构，节省版图面积。可选地，本发明一些实施例中，第二级间匹配电路20采用的是有耗匹配的方式，以降低电路在低频的增益，进一步优化带内平坦度，提高低频稳定性。

本发明一些实施例中，第二级间匹配电路20的匹配频点为37GHz，使得第三级放大晶体管M3在该频点处的增益最大，弥补前两级晶体管的高频增益滚降。其中，第一电阻R1、第九微带线TL9、第十微带线TL10、第三隔直电容C3和第二电阻R2构成Π型有耗匹配电路。由于第一电阻R1和第二电阻R2为小电阻，阻值均小于10Ω，因此，可有效压制低频增益，提高电路在低频的稳定性，增加增益平坦度。

可选地，第二级间匹配电路20将37GHz处的阻抗点(19.2+j*34.1)Ω直接匹配至(5.5-j*3.5)Ω，省去了中间的50Ω，使得电路大大简化，缩短了后期调试的时间，节省版图面积。图5是第二级间匹配电路20的S21仿真结果图，从图5可以看出，第二级间匹配电路20在37GHz处的插入损耗最小，在低频处损耗较大，从而可以消耗前级低频处的增益，增加电路平坦度。

在上述任一实施例的基础上，本发明一些实施例中，如图3所示，输出匹配电路30包括第四隔直电容C4和第十一微带线TL11。

其中，第四隔直电容C4的第一端与第三级放大晶体管M3的漏极相连，第四隔直电容C4的第二端与信号输出端OUT相连，第十一微带线TL11的第一端与第三级放大晶体管M3的漏极相连，第十一微带线TL11的第二端与第二电压端VDD相连。

为了满足低噪声放大器P1dB的要求，输出匹配电路30采用了最小输出反射系数S22*与最大输出功率折中匹配的方式，实现高线性度LNA(Low Noise Amplifier，低噪声放大器)。本发明一些实施例中，由第四隔直电容C4和第十一微带线TL11构成L型高通电路，将阻抗从(13.9-j*29.7)Ω匹配至50Ω。

在上述实施例的基础上，本发明的一些实施例中，如图3所示，任一电压端都与一电容C相连，即第一电压端Vgs1与一个电容C的第一端相连，该电容C的第二端接地；第二电压端VDD与另一个电容C的第一端相连，该电容C的第二端接地；第三电压端Vgs2与另一个电容C的第一端相连，该电容C的第二端接地。可选地，电容C的电容值为5.9pF，作用是滤掉电源的低频噪声。

可选地，第一隔直电容C1、第二隔直电容C2、第三隔直电容C3和第四隔直电容C4的电容值范围为0.2pF-0.6pF。其中，第一隔直电容C1、第二隔直电容C2、第三隔直电容C3和第四隔直电容C4的作用是隔离直流工作点且参与电路匹配。

图6为本发明一个实施例提供的3dB带宽低噪声放大器的原理图版图联合仿真结果图，其中，电路的3dB带宽为27GHz-40.3GHz，相对带宽为39.5％，版图面积为1.9*0.95mm

本发明实施例提供的低噪声放大器电路与同工艺的其他低噪声放大器相比，在不增加电路级数，不增加版图面积，不增大电路直流功耗的条件下，能够同时满足高增益和宽带，与同类型产品相比具有明显的性能优势。

本发明实施例还提供了一种射频前端电路，包括如上任一实施例提供的低噪声放大器。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。