一种毫米波单片集成低噪声放大器制造技术

一种毫米波单片集成低噪声放大器，属于电子技术领域，涉及毫米波单片集成低噪声放大器（ＬＮＡ）。电路结构上，本实用新型专利技术为包括两个朗格电桥和连接于两个朗格电桥之间的两路（平衡式）五级放大结构，整个放大器电路集成于单片砷化镓或硅片上。本实用新型专利技术采用ＰＨＭＥＴ工艺，噪声性能优异；采用输入共轭匹配和噪声匹配同时实现高增益和低噪声；在偏置方面，本实用新型专利技术去掉了传统ＬＮＡ中直流偏置用的四分之一波长线，大大缩小了芯片面积。并采用自给偏置方式，节省了电源和器件数目；采用两个朗格电桥构成平衡式结构，提高了ＬＮＡ的稳定性和最大输出功率、改善了ＬＮＡ的驻波和噪声性能。本实用新型专利技术可应用于雷达、通讯等系统中。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于电子
，涉及毫米波单片集成低噪声放大器(LNA)，可直接应用于雷达、通讯等系统。
技术介绍
现今，大多数毫米波接收机是外差式电路，为了检测小信号一般都在前级用低噪声放大器放大接收信号来克服后级的噪声。低噪声放大器是毫米波接收前端系统的关键单元之一，它位于接收机的第一级，直接与天线信号相连。由于其位于接收机的第一级，所以它的噪声特性将大大影响整个系统的噪声特性。同时天线下来的信号一般较弱，低噪声放大器本身具有的噪声特性所引起的灵敏度将影响到是否能正确接收信号，并把有用信号完整的传输到下一级。同时，低噪声放大器需要呈现一个特定的输入阻抗，以便和天线实现阻抗匹配。LNA的一般要求为噪声系数低、增益高。在接收链路中，后面级的噪声可由LNA的增益引入，并且LNA的噪声被直接注入所接收的信号。因此，LNA必须提高所希望的信号功率并同时加入尽量少的噪声和失真，以便能在系统后面级中重获该信号。目前普遍应用的低噪声放大器多为混合电路和模块电路，主要实现方式是通过单个晶体管和外围匹配电路组成，这类低噪声放大器的主要缺点有体积大、 一致性不好等。随着微波毫米波通信技术的迅速发展，人们对通信设备的要求越来越高，体积小，重量轻，可靠性高，稳定性好等优点使得微波单片集成电路(MMIC)在微波通信领域逐渐取代了波导系统和混合集成电路。微波单片集成电路是用半导体工艺把有源器件、无源器件和微波传输线、互连线等全部制作在一片砷化镓或硅片上而构成的集成电路。
技术实现思路
本技术提供一种基于PHMET工艺的毫米波波段单片低噪声放大器，以克服混合低噪声放大器电路中一致性差、体积大和单片集成低噪声放大器中噪声系数与带宽、输入匹配间的矛盾、工作带宽窄，输入阻抗匹配困难的缺点，在保证低的噪声的同时，提高单片低噪声放大器的驻波性能使其达到体积小一致性好的目的。本技术技术方案为一种毫米波单片集成低噪声放大器，如图4所示，包括输入朗格电桥、输出朗格电桥、连接于输入朗格电桥的直通输出端和输出朗格电桥直通输入端的第一放大支路、连接于输入 朗格电桥的耦合输出端和输出朗格电桥耦合输入端的第二放大支路。整个放大器电路集成于 单片砷化镓或硅片上。所述第一放大支路和第二放大支路为相同的电路结构，均为五级放大电路结构。所述五 级放大电路结构中，每一级放大单元之间通过隔直耦合电容相连；第五级放大单元与输出朗 格电桥之间也通过隔直耦合电容相连。所述每一级放大单元均为相同的电路结构放大器件 为PHEMT三级管，其栅极与栅极匹配及偏置电路相连，其源极通过源极匹配及偏置电路接 地，其漏极通过漏极匹配及偏置电路输出本级放大信号。所述栅极匹配及偏置电路为一个T 型微带传输线，T型微带传输线的垂直端接地，T型微带传输线的水平右端接PHEMT三级管 的栅极，PHEMT三级管的水平左端接本级放大单元的输入信号。所述源极匹配及偏置电路由 一段微带传输线和一个RC并联支路相串联而成。所述漏极匹配及偏置电路由一个T型微带 传输线、漏极偏置电压信号Vds和一个旁路电容构成漏极偏置电压信号Vds通过旁路电容 接地的同时接T型微带传输线的垂直端，T型微带传输线的水平左端接PHEMT三级管的漏 极，T型微带传输线的水平右端输出本级放大单元的放大输出信号。本技术技术方案具有以下一些特点一、 在提高低噪声放大器的噪声性能方面，本技术(1) 选择栅长更短的FET工艺。栅长越短，跨导gm越大，栅源电容Cgs越小，这些都 对减小噪声系数有利。(2) 选择载流子迁移率高的FET工艺，迁移率越高，跨导gm越大，噪声越小。这也是 为什么PHEMT工艺噪声性能优于HEMT和MESFET工艺的原因。(3) 折衷选择器件的栅宽和叉指数，做到既降低Rn、 Rg、 RS，又兼顾Cgs。(4) 合理选择器件的直流偏置点。据工程经验，噪声最小值的工作电流在漏源饱和电流 的10%到15%之间。二、 在提高增益、减小噪声方面，本技术采用了输入共轭匹配和噪声匹配同时实现 低噪声放大器在源与晶体管的输入阻抗之间实现共轭匹配可获得最大功率传输，此时的源反射系数为 《,，但是这种匹配通常不能得到最小的噪声系数。相应地，为了获得最小的噪声因子Fmin，存在一个最佳源阻抗Zopt(或是反射系数r^)。 一般情况下r。不同于《。这就意味着实现最小噪声系数的放大器，设计必然偏离最大功率传输的匹配条件，有一定程度的失配。要解决该问题，则需选择合适的结构，使器件的r，和s, 彼此靠近。本技术采用输出加载的串并联组合反馈方式，该方式能够使r，和《相互靠近并可应用于单片低噪声放大器。当应用到FET时，该技术的原理是通过调节FET源极串联负反馈电感的电感量，能够使 「。pr和S;彼此更加接近，直^二者重合，从而得到一个同时噪声匹配和功率匹配的低噪声放大器。图1是带有串联负反馈的FET低噪声放大器的等效电路，可以得到输入阻抗Z^具有 如下表达式-从上式可以看出，输入阻抗2,,随器件本身参数、串联负反馈以及输出负载的变化而变化，所以共轭匹配源反射系数《,与器件本身参数、串联负反馈以及输出负载都相关。而r一仅受到器件本身参数和串联负反馈的影响。所以，可以找到一个合适的器件栅宽、反馈量和输出负载，使^和r。p,相等。在实际的设计中，器件的栅宽是控制《和r—二者彼此接近的一个重要参数，在每个不同的频率点都有不同的最佳栅宽。三、 在减小芯片面积、降低成本和体积方面，本技术将栅极匹配及偏置电路用一个 并联分支线(即T型微带传输线)来实现。传统LNA的匹配电路和偏置电路是分开的，如图2(a)所示，偏置电路会占很大面积，这 在MMIC的设计中是不允许的，因此我们把偏置电路和匹配电路用一个并联分支线来实现， 如图2(b)所示，去掉了直流偏置用的四分之一波长线，大大縮小了芯片面积(实际的栅极匹 配及偏置电路由于采用了下述自给偏置电路，在栅极采用了短路式匹配及偏置电路，从而节 省了一个旁路电容和栅极偏置电压信号)。四、 为了减少供电电源数目，采用了自给偏置电路自给偏置电路是在PHEMT的源极串联一个电阻RS，当漏极电流ID流过该电阻时，在它 的两端将产生电压降，栅极对直流接地，因此电阻RS上产生的偏压就是栅源电压，即VGS=VG-VS=-VS=-IDRS (2)本技术采用如图3所示的自给偏置电路，栅极采用短路式匹配及偏置电路，可以同 时实现射频匹配和直流短路。在源极采用串联高阻抗微带线实现源极负反馈，同时为了避免引入电阻造成的射频能量衰减和增益下降，在源极电阻RS处并联一旁路电容CS,以形成射 频回路，避免射频信号流过电阻时造成衰减。五、为了提高稳定性改善器件驻波、噪声性能和最大输出功率，本技术采用两个朗 格电桥构成平衡式结构。晶体管内部都存在反馈，S参数的S12就表示内部反馈量，它是电压波的反向传输系数。 S12越大，内部反馈越强。反馈达到一定强度时，将会引起放大器的稳定性变化，甚至产生自 激。放大器的稳定性是放大器设计中需要考虑的非常重要的因素， 一般用两个稳定性因子(k 和b)来判断电路的稳定性，k>l， bX)电路就是绝对稳定的。,'—1—l&l2-|S22 |2+|A|2 n、b-l+ISuH本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种毫米波单片集成低噪声放大器，包括输入朗格电桥、输出朗格电桥、连接于输入朗格电桥的直通输出端和输出朗格电桥直通输入端的第一放大支路、连接于输入朗格电桥的耦合输出端和输出朗格电桥耦合输入端的第二放大支路；整个放大器电路集成于单片砷化镓或硅片上；其特征是，　所述第一放大支路和第二放大支路为相同的电路结构，均为五级放大电路结构；所述五级放大电路结构中，每一级放大单元之间通过隔直耦合电容相连；第五级放大单元与输出朗格电桥之间也通过隔直耦合电容相连；　所述每一级放大单元均 为相同的电路结构：放大器件为ＰＨＥＭＴ三级管，其栅极与栅极匹配及偏置电路相连，其源极通过源极匹配及偏置电路接地，其漏极通过漏极匹配及偏置电路输出本级放大信号；所述栅极匹配及偏置电路为一个Ｔ型微带传输线，Ｔ型微带传输线的垂直端接地，Ｔ型微带传输线的水平右端接ＰＨＥＭＴ三级管的栅极，ＰＨＥＭＴ三级管的水平左端接本级放大单元的输入信号；所述源极匹配及偏置电路由一段微带传输线和一个ＲＣ并联支路相串联而成；所述漏极匹配及偏置电路由一个Ｔ型微带传输线、漏极偏置电压信号Ｖｄｓ和一个旁路电容构成：漏极偏置电压信号Ｖｄｓ通过旁路电容接地的同时接Ｔ型微带传输线的垂直端，Ｔ型微带传输线的水平左端接ＰＨＥＭＴ三级管的漏极，Ｔ型微带传输线的水平右端输出本级放大单元的放大输出信号。...

【技术特征摘要】
1、一种毫米波单片集成低噪声放大器，包括输入朗格电桥、输出朗格电桥、连接于输入朗格电桥的直通输出端和输出朗格电桥直通输入端的第一放大支路、连接于输入朗格电桥的耦合输出端和输出朗格电桥耦合输入端的第二放大支路；整个放大器电路集成于单片砷化镓或硅片上；其特征是，所述第一放大支路和第二放大支路为相同的电路结构，均为五级放大电路结构；所述五级放大电路结构中，每一级放大单元之间通过隔直耦合电容相连；第五级放大单元与输出朗格电桥之间也通过隔直耦合电容相连；所述每一级放大单元均为相同的电路结构放大器件为PHEMT三级管，其栅极与栅极匹配及偏置电路相连，其源极通过源极匹配...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨自强，杨涛，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：实用新型
国别省市：90[]