【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于射电望远镜接收机，涉及一种放大器，尤其涉及一种射电天文极低噪声的常温低噪声放大器。
技术介绍
1、灵敏度是射电望远镜最为重要的指标之一，代表探测暗弱天文信号的能力，天文学家不断追求能够探测到更弱、更远的信号，这就依赖于射电望远镜灵敏度的提升。灵敏度主要由望远镜有效接收面积和系统噪声温度的比值决定。天线一旦建成，有效接收面积就确定下来，那么灵敏度主要由系统噪声温度决定。望远镜的系统噪声包括天空背景噪声、大气损耗、地面噪声、天线损耗、接收机噪声等，其中接收机噪声占主要组成部分。接收机实现低噪声的关键在于低噪声放大器，因此它是射电望远镜接收机的核心器件。系统噪声的级联公式为：
2、
3、其中te为等效系统噪声温度，te1、te2和te3分别为第一、二、三级的等效噪声温度，g1和g2分别为第一、二级的增益。第一级等效噪声直接贡献到系统噪声中，第二级等效噪声除以第一级放大倍数之后，贡献到系统噪声中，第三级等效噪声要除以第一级和第二级放大倍数之和后，再计入系统噪声，同理依次可计算后面各级对系统噪声的贡献。可见第一级的噪声对系统噪声贡献最大，当第一级具备足够的放大倍数之后，后面各级噪声贡献可以忽略。因此接收机的第一级通常采用低噪声放大器，其自身的噪声越低越好，同时要求至少大于30db的增益，这样能使低噪声放大器之后的各级噪声贡献缩小至少1000倍。对于设计得当的接收机，通常系统噪声主要由低噪声放大器贡献，其后各级的噪声贡献可以忽略不计。
4、低噪声放大器主要由两级或更多级的晶体管、输入匹配电路
5、目前常见的l波段常温低噪声放大器噪声温度约30-40k(噪声系数0.4-0.6db)。射电天文上通常采用制冷的方式，将低噪声放大器制冷到15k(即-258.15℃)，来降低晶体管自身噪声和匹配电路的损耗，以获得极低的噪声。以l波段为例，低温低噪声放大器工作在15k时，能获得5k的极低噪声水平。但制冷的代价比较大，需要设计真空杜瓦，并配备制冷机和压缩机，接收机复杂性和造价大幅提升，运行和维护成本也随之升高。并且当接收机的馈源和低噪声放大器数量巨多时，15k量级制冷温度的可实现性更是大大降低。如果常温低噪声放大器能够达到与低温低噪声放大器同等量级的噪声水平，那么将有望大面积取代低温低噪声放大器的使用，明显降低高性能射电接收机的成本，对射电天文望远镜将产生变革性影响。
6、常温低噪声放大器突破低噪声的关键在于：极低损耗的晶体管和低损耗的输入匹配电路。极低损耗的晶体管目前已可获取，但要采用未封装的裸片形式，通过金属键合线将晶体管芯片和电路实现电器连接，如果用传统的封装芯片焊接管脚的方式，寄生效应带也会带来很大的噪声。根据放大器等效噪声温度公式，当信号源阻抗zs与晶体管的最佳源阻抗zopt匹配时，放大器的噪声温度最小，等于最小噪声温度tmin。当zs与zopt不匹配时，输入端口会发生反射，晶体管自身噪声的一部分反向传输到信号源端，经过反射，再次进入晶体管，被晶体管放大，从而引起噪声增加。因此输入匹配电路的主要作用是实现信号源阻抗与晶体管最佳源阻抗的匹配，使噪声最小；同时要兼顾功率匹配，降低输入端的反射损耗，满足指标要求。
7、
8、现有低噪声放大器的输入匹配电路采用电容、电感等集中参数元件以l型、π型或t型等结构，实现阻抗变换。或者采用微带线这种分布参数元件来实现匹配，或者集中参数元件和分布参数元件混合使用(参考江龙，李建斌，刘鸿飞，柴晓明.基于砷化镓晶体管的1.35～2.0ghz低噪声放大器.天文研究与技术.2020,17(3):276-282)。该方案中集中参数元件都会有寄生效应，寄生的电阻性损耗会引入噪声，通常电感比电容有更高的电阻性损耗。而分布参数元件的微带线也会有金属和介质损耗带来的噪声，比如采用常见的低损耗板材ro4350,一段长度10cm的普通微带线损耗约0.3db(21k噪声)。并且普通微带线阻抗不能做的特别大，阻抗越高，线宽越窄，带来的损耗就越大。比如ro4350板材，线宽0.3mm时，阻抗也只有112欧姆，而此时1cm长的微带线在3ghz时损耗达到0.2db(14k噪声)，随频率升高，损耗还会继续增大。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种射电天文极低噪声的常温低噪声放大器。本专利技术解决了常温低噪声放大器的输入匹配电路损耗过高的问题，实现与低温低噪声放大器同等量级的极低噪声的常温低噪声放大器。
2、本专利技术的技术方案为：
3、一种射电天文极低噪声的常温低噪声放大器，其特征在于，包括输入端口、输入匹配电路、n个晶体管、n-1个级间匹配电路、输出匹配电路和输出端口；
4、第i个晶体管经第i个级间匹配电路与第i+1个晶体管连接；第i个级间匹配电路用于实现第i个晶体管输出阻抗与第i+1个晶体管输入阻抗匹配，减少反射带来的功率损失；i＝1～n-1；
5、输入端口依次经输入匹配电路与第一个晶体管连接，第n个晶体管经输出匹配电路与输出端口连接；
6、所述输入匹配电路，用于实现输入端口和第一晶体管之间的噪声匹配，以降低输入端口的反射损耗；
7、所述晶体管，用于对输入信号进行放大。
8、进一步的，所述输入匹配电路包括第一电容、第一个晶体管的栅极偏置电路和悬置介质微带线；所述第一电容一端连接所述输入端口，另一端与所述悬置介质微带线的一端以及与第一个晶体管的栅极偏置电路连接，所述悬置介质微带线的另一端与第一个晶体管的栅极端口连接；所述第一电容为隔直电容，用于隔离来自第一个晶体管栅极偏置电路的直流信号，防止其从输入端口向外流出。
9、进一步的，所述悬置介质微带线包括介质、导体、上接地面和下接地面；所述介质为一层厚度为h的电路板板材，所述导体的厚度为t、长为l、宽为w；所述导体设置在所述介质的上表面上，所述介质的上表面距离所述上接地面的距离为hu、下表面距离所述下接地面的距离为hl，所述导体周围为空气。
10、进一步的，hu≥10h，且hu＝hl+h。
11、进一步的，根据工作频率、悬置介质微带线的特征阻抗z0和导体的电长度e_eff计算得到悬置介质微带线导体的长度l和宽度w；特征阻抗z0为晶体管的最佳源阻抗的实部，电长度e_eff为90°。
12、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种射电天文极低噪声的常温低噪声放大器，其特征在于，包括输入端口、输入匹配电路、N个晶体管、N-1个级间匹配电路、输出匹配电路和输出端口；
2.根据权利要求1所述的常温低噪声放大器，其特征在于，所述输入匹配电路包括第一电容、第一个晶体管的栅极偏置电路和悬置介质微带线；所述第一电容一端连接所述输入端口，另一端与所述悬置介质微带线的一端以及与第一个晶体管的栅极偏置电路连接，所述悬置介质微带线的另一端与第一个晶体管的栅极端口连接；所述第一电容为隔直电容，用于隔离来自第一个晶体管栅极偏置电路的直流信号，防止其从输入端口向外流出。
3.根据权利要求2所述的常温低噪声放大器，其特征在于，所述悬置介质微带线包括介质、导体、上接地面和下接地面；所述介质为一层厚度为H的电路板板材，所述导体的厚度为T、长为L、宽为W；所述导体设置在所述介质的上表面上，所述介质的上表面距离所述上接地面的距离为HU、下表面距离所述下接地面的距离为HL，所述导体周围为空气。
4.根据权利要求2所述的常温低噪声放大器，其特征在于，HU≥10H，且HU＝HL+H。
5.根据
6.根据权利要求2所述的常温低噪声放大器，其特征在于，所述悬置介质微带线的上方设置第一屏蔽金属框，所述悬置介质微带线的下方设置第二屏蔽金属框；第一屏蔽金属框内、第二屏蔽金属框内铺铜，所述悬置介质微带线位于第一屏蔽金属框与第二屏蔽金属框之间，居中；第一屏蔽金属框、第二屏蔽金属框靠近所述悬置介质微带线的一侧排布接地孔，第一屏蔽金属框、第二屏蔽金属框相对的一侧相距S，S＝2HU，第一屏蔽金属框、第二屏蔽金属框相对的一侧围成一长L、宽S的区域，称为悬置介质微带线有效区；该区域垂直映射到印制电路板的下表面相应位置且不铺铜，印制电路板的下表面其他部分全部铺铜；第一屏蔽金属框、第二屏蔽金属框及接地孔用于限制电磁波传播的范围，使电磁波在该悬置介质微带线有效区内传播。
7.根据权利要求6所述的常温低噪声放大器，其特征在于，还包括一外壳，所述外壳包括底座和顶盖，所述顶盖与所述底座匹配扣在一起用于容纳所述印制电路板；所述底座上与悬置介质微带线有效区垂直映射的位置设置一长度为L、宽度为S、深度为HL的槽，使印制电路板下表面距槽底面的距离为HL，所述顶盖内留出高度为HU的空间，使印制电路板上表面距顶盖内侧距离为HU。
8.根据权利要求1或2或3所述的常温低噪声放大器，其特征在于，所述第i个级间匹配电路通过包括第二电容、第一电阻、第三电容、第i个晶体管的漏极偏置电路和第i+1个晶体管的栅极偏置电路；第i个晶体管的漏极端口、漏极偏置电路分别与第二电容的同一端连接，第二电容另一端分别与第三电容一端和第一电阻一端连接，第一电阻的另一端接地，第三电容另一端分别与第i+1个晶体管的栅极偏置电路、第i+1个晶体管的栅极端口连接；第二电容用于隔离来自第i个晶体管栅极偏置电路的直流信号，并参与阻抗匹配；第一电阻用于参与阻抗匹配且调节电路稳定性；第三电容用于隔离来自第i+1个晶体管栅极偏置电路的直流信号，并参与阻抗匹配。
9.根据权利要求1或2或3所述的常温低噪声放大器，其特征在于，所述输出匹配电路包括第四电容、第N个晶体管的漏极偏置电路、第二电阻和第二电感；第N个晶体管的漏极端口、漏极偏置电路分别与第四电容的同一端连接，第四电容另一端分别与第二电感一端和第二电阻一端连接，第二电阻的另一端接地，第二电感另一端与所述输出端口连接；第四电容用于隔离来自第N个晶体管栅极偏置电路的直流信号，并参与阻抗匹配；第二电阻用于参与阻抗匹配且调节电路稳定性；第二电感用于参与阻抗匹配。
10.一种权利要求1所述射电天文极低噪声的常温低噪声放大器的设计方法，其步骤包括：
...【技术特征摘要】
1.一种射电天文极低噪声的常温低噪声放大器，其特征在于，包括输入端口、输入匹配电路、n个晶体管、n-1个级间匹配电路、输出匹配电路和输出端口；
2.根据权利要求1所述的常温低噪声放大器，其特征在于，所述输入匹配电路包括第一电容、第一个晶体管的栅极偏置电路和悬置介质微带线；所述第一电容一端连接所述输入端口，另一端与所述悬置介质微带线的一端以及与第一个晶体管的栅极偏置电路连接，所述悬置介质微带线的另一端与第一个晶体管的栅极端口连接；所述第一电容为隔直电容，用于隔离来自第一个晶体管栅极偏置电路的直流信号，防止其从输入端口向外流出。
3.根据权利要求2所述的常温低噪声放大器，其特征在于，所述悬置介质微带线包括介质、导体、上接地面和下接地面；所述介质为一层厚度为h的电路板板材，所述导体的厚度为t、长为l、宽为w；所述导体设置在所述介质的上表面上，所述介质的上表面距离所述上接地面的距离为hu、下表面距离所述下接地面的距离为hl，所述导体周围为空气。
4.根据权利要求2所述的常温低噪声放大器，其特征在于，hu≥10h，且hu＝hl+h。
5.根据权利要求2所述的常温低噪声放大器，其特征在于，根据工作频率、悬置介质微带线的特征阻抗z0和导体的电长度e_eff计算得到悬置介质微带线导体的长度l和宽度w；
6.根据权利要求2所述的常温低噪声放大器，其特征在于，所述悬置介质微带线的上方设置第一屏蔽金属框，所述悬置介质微带线的下方设置第二屏蔽金属框；第一屏蔽金属框内、第二屏蔽金属框内铺铜，所述悬置介质微带线位于第一屏蔽金属框与第二屏蔽金属框之间，居中；第一屏蔽金属框、第二屏蔽金属框靠近所述悬置介质微带线的一侧排布接地孔，第一屏蔽金属框、第二屏蔽金属框相对的一侧相距s，s＝2hu，第一屏蔽金属框、第二屏蔽金属框相对的一侧围成一长l、宽s的区域，称为悬置介质微带线有效区；该区域垂直映射到印制电路板的下表面相应位置且不...
【专利技术属性】
技术研发人员：柴晓明，甘恒谦，郭明雷，董宾，姜鹏，
申请(专利权)人：贵州射电天文台，
类型：发明
国别省市：
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