一种三重级联结构的超宽带分布式低噪声放大器

本发明涉及微电子技术，尤其涉及一种三重级联结构的超宽带分布式低噪声放大器。

背景技术：

1、低噪声放大器是一种用于将微弱信号放大的电路，常用于放大无线电接收机中的信号。低噪声放大器位于射频接收系统的前端，与天线相连接。由于来自天线的信号一般都非常微弱，低噪声放大器性能的好坏直接影响着整个接收机接收信号的质量。为了保证信号放大传输到下一级，低噪声放大器需要有高增益、高线性度、低噪声等性能特点。此外，在宽带收发机中，低噪声放大器的带宽也是一个重要的性能参数。

2、除了宽带收发机，宽带放大器还广泛用于多模收发机、高速链路、仪器系统、雷达和成像系统。传统的宽带放大器技术有阻性反馈技术、感性负载技术、平衡结构、分布式结构等。要设计多倍频程的超宽带放大器，分布式结构是目前使用最广泛的结构之一。分布式结构的优势在于应用单片微波集成电路技术，而且分布式结构具有简单的拓扑结构，其性能对工艺参数的变化不敏感，分布式结构首先在砷化镓技术中被广泛应用。随着通信系统的不断发展，宽带放大器需要更高的线性度、更宽的工作带宽、更高的灵敏度以及更低的噪声系数。氮化镓的高电子迁移率和良好的热导率使得氮化镓高电子迁移率晶体管(ganhemt)获得大的带宽和低的噪声系数，而且可以工作在更高的电压，显著提高了输出功率和线性度，相比于砷化镓的性能有很大提高。在这巨大的优势下，使用氮化镓工艺设计分布式超宽带低噪声放大器更加有吸引力。

3、现有技术的不足：

4、分布式放大器的性能取决于增益单元电路，同时放大器的带宽也受到增益单元电路中晶体管寄生参数的限制。现有的分布式放大器大多数基于砷化镓或者硅基工艺，根据增益单元电路的不同，分布式放大器分为共源分布式放大器和共源-共栅分布式放大器等结构。但分布式放大器还存在以下问题：

5、第一，砷化镓和硅基工艺虽然有着较广的应用，但其线性度和输出功率较低。随着通信技术的发展，射频应用中需要高频率、高带宽、高传输速率以及高输出功率等性能。氮化镓不仅能满足高频和高带宽，而且输出功率高，是用于设计宽带放大器的理想选择。但目前基于氮化镓的分布式放大器很难达到50ghz以上的带宽。

6、第二，共源分布式放大器的增益和带宽都较低，共源-共栅分布式放大器虽然可以提高增益和带宽，但其最小寄生参数限制了更高频率的增益补偿。则需要新的增益单元电路更加有效的补偿高频增益滚降，进一步拓展带宽。

技术实现思路

1、为了解决共源-共栅增益单元高频增益补偿的不足同时兼顾放大器的线性度，本发明提出了一种三重级联结构的超宽带分布式低噪声放大器。基于氮化镓晶体管三重级联(triple cascode)结构的增益单元，有效提升了分布式放大器的增益带宽积，实现多倍频程的超宽带分布式低噪声放大器并且满足良好的噪声性能和线性度。

2、本发明中所述一种三重级联结构的超宽带分布式低噪声放大器，包括由若干第一栅极微带线串联而成的输入人工传输线、由若干第一漏极微带线串联而成的输出人工传输线；在所述输入人工传输线和输出人工传输线之间并联若干增益单元；所述输入人工传输线的首端串接第一电容后作为信号输入端，末端依次通过栅极终端单元和第二扼流电感后连接第一栅极偏置电压；所述输出人工传输线的末端串接第七电容后作为信号输出端；首端依次通过漏极终端单元和第一扼流电感后连接工作电压；每一增益单元结构相同，均分别由三个gan晶体管级联而成。

3、所述增益单元结构具体为：第一gan晶体管栅极通过第二栅极微带线接入输入人工传输线，第一gan晶体管源极接地，第一gan晶体管漏极通过第一峰化电感连接第二gan晶体管源极；第二gan晶体管栅极分别通过第二电阻连接第二栅极偏置电压以及通过第三电容接地，第二gan晶体管漏极通过第二峰化电感连接第三gan晶体管源极；第三gan晶体管栅极分别通过第三电阻连接第三栅极偏置电压以及通过第四电容接地，第二gan晶体管漏极通过第二漏极微带线接入输出人工传输线。

4、增益单元的数量为4至8，优选为6。

5、所述栅极终端单元结构具体为：第一电阻一端接入输入人工传输线末端，另一端分别经过第二电容接地以及经过所述第二扼流电感连接第一栅极偏置电压。

6、所述漏极终端单元具体结构为：第六电阻一端接入输出人工传输线首端，另一端分为三条支路，第一支路通过所述第一扼流电感连接工作电压，第二支路通过第五电阻和第六电容后接地，第三支路通过第四电阻和第五电容后接地。

7、所述第六电容和第五电容不相等。

8、本发明中所述一种三重级联结构的超宽带分布式低噪声放大器，其优点在于，基于氮化镓工艺设计，小尺寸的氮化镓晶体管可以实现大的带宽和较高的线性度。分布式放大器的增益单元采用triple cascode结构，有效补偿了分布式放大器高频增益的滚降，有效拓展了分布式低噪声放大器的带宽，实现了多倍频程的超宽带放大器。

9、另一方面，相比现有技术的分布式放大器，本发明有效提升了放大器的增益带宽积，超宽带分布式低噪声放大器的增益平坦度小于1db的带宽为1-72.5ghz，3-db带宽为1-77ghz，实现了从l波段到v波段全覆盖的超宽带放大器，并且保持良好的噪声性能和线性度。

技术特征：

1.一种三重级联结构的超宽带分布式低噪声放大器，其特征在于，包括由若干第一栅极微带线(lg1)串联而成的输入人工传输线、由若干第一漏极微带线(ld1)串联而成的输出人工传输线；在所述输入人工传输线和输出人工传输线之间并联若干增益单元(02)；

2.根据权利要求1所述一种三重级联结构的超宽带分布式低噪声放大器，其特征在于，所述增益单元(02)结构具体为：

3.根据权利要求1所述一种三重级联结构的超宽带分布式低噪声放大器，其特征在于，增益单元(02)的数量为4至8。

4.根据权利要求3所述一种三重级联结构的超宽带分布式低噪声放大器，其特征在于，增益单元(02)的数量为6。

5.根据权利要求1所述一种三重级联结构的超宽带分布式低噪声放大器，其特征在于，所述栅极终端单元(01)结构具体为：第一电阻(r1)一端接入输入人工传输线末端，另一端分别经过第二电容(c2)接地以及经过所述第二扼流电感(ldc2)连接第一栅极偏置电压(vg1)。

6.根据权利要求1所述一种三重级联结构的超宽带分布式低噪声放大器，其特征在于，所述漏极终端单元(03)具体结构为：第六电阻(r6)一端接入输出人工传输线首端，另一端分为三条支路，第一支路通过所述第一扼流电感(ldc1)连接工作电压(vd)，第二支路通过第五电阻(r5)和第六电容(c6)后接地，第三支路通过第四电阻(r4)和第五电容(c5)后接地。

7.根据权利要求6所述一种三重级联结构的超宽带分布式低噪声放大器，其特征在于，所述第六电容(c6)和第五电容(c5)不相等。

技术总结
本发明公开了一种三重级联结构的超宽带分布式低噪声放大器，涉及微电子技术，针对现有技术中增益和带宽都较低的问题提出本方案。在输入人工传输线和输出人工传输线之间并联若干增益单元；输入人工传输线的首端串接第一电容后作为信号输入端，末端依次通过栅极终端单元和第二扼流电感后连接第一栅极偏置电压；输出人工传输线的末端串接第七电容后作为信号输出端；首端依次通过漏极终端单元和第一扼流电感后连接工作电压；每一增益单元结构相同，均分别由三个GaN晶体管级联而成。优点在于可以实现大的带宽和较高的线性度。增益单元有效补偿了分布式放大器高频增益的滚降，有效拓展了分布式低噪声放大器的带宽，实现了多倍频程的超宽带放大器。

技术研发人员：蒋华杏,陈水熙,陈志坚,李斌
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15