本發(fā)明屬于電子放大器領(lǐng)域，尤其涉及了一種Ku波段相控陣雷達的高線性度低噪聲放大器。

背景技術(shù)：

Ku波段相控陣雷達的工作頻率高、整體尺寸小，在對空間要求苛刻、精度要求高的機載探測雷達中得到廣泛應(yīng)用。低噪聲放大器作為相控陣雷達接收／發(fā)射（T/R）單元的關(guān)鍵模塊，對系統(tǒng)的整體性能有著重要影響。傳統(tǒng)的低噪聲放大器通常采用GaAs和InP等III-V族化合物半導(dǎo)體工藝制作。這種工藝在噪聲和功率處理方面具有極優(yōu)的性，但成本高、集成度低。近年來，隨著SiGe BiCMOS工藝截止頻率（ｆ_Ｔ）的大幅提高，SiGe BiCMOS工藝在噪聲和增益等方面的性能完全達到III-V族半導(dǎo)體工藝的水平，且成本低、集成度高，但SiGe BiCMOS工藝的主要局限性是擊穿電壓和線性度較低，很難實現(xiàn)高線性輸出功率。

Thrivikraman等人在第２級的輸出端進行大信號負載牽引，并采用高擊穿管與高性能管串聯(lián)的混合結(jié)構(gòu)，以提高電源電壓，輸出1-dB壓縮點達到18.5dBm，但其高擊穿管的ｆ_Ｔ較低，在工作頻率接近ｆ_Ｔ時增益急劇下降，而負載牽引是負載線匹配而不是共軛匹配，導(dǎo)致輸出反射系數(shù)（Ｓ_２２）小于-10dB，匹配較差。也有在第２級放大管的發(fā)射極引入簡并電感（Kalyoncu et al., 2012），并提高偏置電壓，輸出1-dB壓縮點可達16dBm，但射極電感降低了增益，較大的偏置電壓導(dǎo)致功耗過大。

綜上所述，現(xiàn)代相控陣雷達要求低噪聲放大器具有很高的動態(tài)范圍，在不顯著增加電路面積的同時，既要滿足低噪聲的要求，又要提高線性輸出功率，改善電路的動態(tài)范圍。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的主要技術(shù)問題是提供一種Ku波段相控陣雷達的高線性度低噪聲放大器，同時滿足高線性輸出功率和低噪聲的技術(shù)要求。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種Ku波段相控陣雷達的高線性度低噪聲放大器，包括：

第１級電路，采用射極簡并電感型共源共柵結(jié)構(gòu)，選?。?sub>１管的發(fā)射極長度Ｌ_Ｅ，以保證最優(yōu)信號源電阻等于信號源電阻，在Ｊ_ｃ和Ｑ_１管的尺寸都確定（ｆ_Ｔ確定）的條件下，選取適當?shù)模?sub>ｓ和Ｌ_ｂ，實現(xiàn)噪聲與功率的匹配;

第２級電路，采用共源共柵結(jié)構(gòu)，為得到較大的輸出功率，Ｑ_３和Ｑ_４管的發(fā)射極尺寸選為Ｑ_１和Ｑ_２管的４倍，使用Ｌ_２，Ｌ_３，Ｃ_３和Ｒ_１實現(xiàn)寬帶輸出匹配。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的技術(shù)方案具備以下有益效果：本發(fā)明提供了一種Ku波段相控陣雷達的高線性度低噪聲放大器，在不顯著增加電路面積和制造成本的同時，提高了線性輸出功率，有效地改善了電路的動態(tài)范圍。本發(fā)明的裝置可滿足Ｋｕ波段相控陣雷達系統(tǒng)的技術(shù)要求。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實施例提供的一種Ku波段相控陣雷達的高線性度低噪聲放大器的電路框圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的一種Ku波段相控陣雷達的高線性度低噪聲放大器的后仿真噪聲系數(shù)曲線圖。

圖3是本發(fā)明實施例提供的一種Ku波段相控陣雷達的高線性度低噪聲放大器的傳統(tǒng)偏置電路的1-dB壓縮點曲線圖。

圖4是本發(fā)明實施例提供的一種Ku波段相控陣雷達的高線性度低噪聲放大器的線性補償偏置電路的1-dB壓縮點曲線圖。

具體實施方式

下文結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步說明。

參考圖1，一種Ku波段相控陣雷達的高線性度低噪聲放大器，包括：

第１級電路，采用射極簡并電感型共源共柵結(jié)構(gòu)。２級結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器中，其噪聲系數(shù)滿足關(guān)系式：

NF＝NF_１＋(NF_２－1)/G_A1 （１）

式中，ＮＦ_１和ＮＦ_２分別表示第１級和第２級電路的噪聲系數(shù)，Ｇ_Ａ１表示第１級電路可獲得的功率增益；

為得到盡可能低的噪聲系數(shù)，要保證第１級電路的噪聲系數(shù)小、功率增益大，第１級電路采用射極簡并電感型共源共柵結(jié)構(gòu)；最小噪聲系數(shù)（NF_min）僅是共射管Q₁集電極電流密度（J_C）的函數(shù)，即存在一個最佳集電極電流密度（J_C,opt）;

第１級電路既要滿足噪聲阻抗匹配以獲得最小噪聲系數(shù)，又要滿足共軛匹配以實現(xiàn)最大功率傳輸，必須滿足：

Ｚ_Ｓ＝Ｚ_ｏｐｔ （２）

Ｚ_Ｓ＝Ｚ^＊_ＩＮ （３）

式中，Ｚ_ｏｐｔ為ＮＦ＝ＮＦ_ｍｉｎ時對應(yīng)的信號源阻抗，為最優(yōu)信號源阻抗；最優(yōu)信號源阻抗的實部可簡化為：

（４）

式中，ｆ為工作頻率，ｆ_Ｔ為截止頻率，ｒ_ｂ為Ｑ_１管的基極電阻，Ｌ_Ｅ和Ｗ_Ｅ為Ｑ_１管發(fā)射極的長度和寬度；在Ｊ_ｃ確定的前提下，可適當選取Ｑ_１管的發(fā)射極長度Ｌ_Ｅ，以保證最優(yōu)信號源電阻等于信號源電阻。寬度Ｗ_Ｅ可取最小值為0.24μｍ；為實現(xiàn)最優(yōu)信號源電阻等于50Ω，Ｑ_１管的尺寸為（0.24×2×11）μｍ^２；輸入阻抗的實部為：

Ｒ_ｅ（Ｚ_ＩＮ）＝ｒ_ｂ＋２π×ｆ_Ｔ×Ｌ_ｓ （５）

在Ｊ_ｃ和Ｑ_１管的尺寸都確定（ｆ_Ｔ確定）的條件下，

選?。?sub>ｓ為145pHｐＨ，使輸入阻抗的實部等于50Ω。選取基極串聯(lián)電感Ｌ_ｂ為358pH３５８ｐＨ，使式（２）、式（３）式分別成立，完成噪聲與功率的匹配；

第２級電路, 采用共源共柵結(jié)構(gòu)，輸出功率表達式為：

Ｐ_ｏｕｔ＝0.5×Ｖ_ＣＣ×Ｉ （６）

式中，Ｉ為基頻電流幅度;

為得到較大的輸出功率，Ｑ_３和Ｑ_４管的發(fā)射極尺寸選為Ｑ_１和Ｑ_２管的４倍, 尺寸為（0.24×2×44）μm^２; 使用Ｌ_２，Ｌ_３，Ｃ_３和Ｒ_１實現(xiàn)寬帶輸出匹配; 電阻Ｒ_１取64Ω，并聯(lián)結(jié)構(gòu)的Ｑ值為：

Ｑ＝Ｒ／Ｘ （７）

式中，Ｘ為電感或電容的電抗值。

小電阻Ｒ_１可以降低電路的Ｑ值，并有效提高帶寬，輸出匹配更易于實現(xiàn)。雖然電阻會引入熱噪聲，但由于第２級電路對整體噪聲系數(shù)的影響很小，Ｒ_１對整體噪聲系數(shù)的影響可以忽略。電感Ｌ_２取468pH，Ｌ_４為514pH，Ｃ_４為4pF，電感Ｌ_２、Ｑ_４管的集電極寄生電容和Ｒ_１將輸出阻抗的實部轉(zhuǎn)換到50Ω，而電感Ｌ_４可抵消輸出阻抗的虛部，最終實現(xiàn)與50Ω負載的共軛匹配，Ｃ_４是一個大的隔直電容。

基于IBM 0.18μｍ SiGe BiCMOS工藝，使用Spectre對電路仿真。如圖2所示，15.85GHz，NF最小值為3.22dB；中心頻率16.5GHz處，NF最小值為3.27dB，且在全頻帶范圍內(nèi)，NF值均小于3.9ｄＢ，本發(fā)明較好地滿足了低噪聲的指標要求。

如圖3、圖4所示，在中心頻率16.5GHz時，本發(fā)明的1-dB壓縮點為6.75dBm，飽和輸出功率接近10dBm。本發(fā)明的1-dB壓縮點比傳統(tǒng)偏置電路提高近3.5dB。

本實施例中，所述一種Ku波段相控陣雷達的高線性度低噪聲放大器，基于IBM 0.18μｍ SiGe BiCMOS工藝，采用２級共源共柵結(jié)構(gòu)，對晶體管的尺寸和偏置進行了優(yōu)化，得到了較低的噪聲系數(shù)和較大的功率增益。引入了線性補償偏置電路，在不顯著增加電路面積的同時，提高了線性輸出功率，有效地改善了電路的動態(tài)范圍。仿真結(jié)果表明，電路具有較好的性能，可滿足Ｋｕ波段相控陣雷達系統(tǒng)的要求。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳實施例，不以此限定本發(fā)明實施的范圍，依本發(fā)明的技術(shù)方案及說明書內(nèi)容所作的等效變化與修飾，皆應(yīng)屬于本發(fā)明涵蓋的范圍。