[發明專利]分布式低噪聲放大器

有效

• 申請號: 200880110012.2
• 申請日: 2008-10-01
• 公開（公告）號: CN101816123A
• 公開（公告）日: 2010-08-25
• 發明（設計）人: B·維瑟;P·P·克魯格;O·C·德·賈格爾
• 申請（專利權）人: 西北大學
• 主分類號: H03F1/18
• 分類號: H03F1/18;H03F3/60
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 馬浩

技術領域

本發明涉及低噪聲放大器，尤其涉及分布式低噪聲放大器。該放 大器可以典型地——但并非專門地——在射電望遠鏡應用中獲得應 用。

背景技術

射電望遠鏡目前的趨勢是建造在寬帶寬上具有高靈敏度的望遠 鏡。為了達到高靈敏度，需要非常大的收集區域和極低噪聲的放大器。 大的收集區域包括數百個較小的接收器，每個接收器都具有各自的低 噪聲放大器(LNA)。因此，LNA必須不僅在寬帶寬上具有低噪聲系 數，還必須在大的動態范圍上是線性的，而且必須不很昂貴。

就申請人所知，射電望遠鏡中所使用的幾乎所有LNA都是諧波 LNA。這些諧波LNA在第一放大級中包括單個晶體管。在每個頻率， 該晶體管具有一個最小噪聲系數F_min，當晶體管連接到輸入阻抗Z_opt時獲得該最小噪聲系數。因此，需要阻抗匹配電路來將放大器的輸入 阻抗匹配到晶體管的最佳低噪聲阻抗Z_opt。諧波放大器有兩個主要的 缺點。首先，由于阻抗匹配電路的諧波性質，LNA的低噪聲性能在大 帶寬上退化，其次，阻抗匹配電路還引起信號損耗、插入損耗、以及 由該電路生成的附加噪聲。

另一種眾所周知的放大器結構是分布式放大器。分布式放大器能 夠有非常大的放大帶寬，并且具有比諧波放大器好的線性度和動態范 圍。因此，除了它們的噪聲系數之外，它們理想地適于用作射電望遠 鏡中的寬帶放大器。眾所周知，分布式LNA(DLNA)比諧波LNA 具有更高的噪聲系數。

分布式放大器包括在其一端具有用于放大器的輸入端的輸入傳 輸介質、在其一端具有用于放大器的輸出端的輸出傳輸介質、以及多 個放大器部分，其中每個放大器部分的輸入端連接到輸入傳輸介質， 而放大器部分的輸出端連接到輸出傳輸介質。輸入傳輸介質與放大器 部分的輸入阻抗(通常是電容性的)一起形成傳輸線。當信號施加到 放大器時，它沿輸入傳輸介質傳播。當信號通過每個部分時，它被放 大并添加到輸出傳輸介質。

在通常的分布式放大器中，放大的信號在輸出傳輸介質上同相地 相加。換句話說，來自每個放大器部分的信號同時到達放大器的輸出 端。從輸入端通過每個放大器部分到達輸出端的時間延遲對于每個部 分是相同的(即，當差值遠小于輸入信號的周期時)。對于具有n個 部分的理想分布式放大器，每個部分具有電壓增益A_v1，總的功率增益 是A∝(A_v1n)²。對于理想放大器，假設除了放大器部分之外沒有其它部 件產生噪聲，而且傳輸介質上沒有信號損耗。

但是，每個放大器部分也生成傳送到輸出傳輸介質的噪聲。因為 各放大器部分的噪聲是不相關的，所以如果每個部分的傳送具有N_1，o的噪聲功率，則添加到輸出傳輸介質的總噪聲是N_o＝N_1，on。因此，噪 聲系數(或者噪聲信號比)與所述部分的數量成反比地減小N_o/A∝1/n。

但是，由每個部分生成的一些噪聲也傳送到輸入傳輸介質。類似 于信號，這種輸入噪聲然后被其它部分放大并添加到輸出傳輸介質， 在輸出端得到放大的輸入噪聲N_1，i∝n²。于是，對于許多個部分，總的 放大的輸入噪聲是N_i∝n³。

因此，隨著部分數量的增加，輸出噪聲信號比減小，但是放大的 輸入噪聲信號比增加。因此，分布式放大器具有最佳的部分數量，對 該數量，總的噪聲信號比最小。

在一個放大器部分的輸入和輸出噪聲之間有一定相關性，因為噪 聲是由共同的噪聲源生成的。令C＝C_re+jC_im為復相關系數。當通過放 大器部分的延遲相同時，輸出噪聲N_1，o和放大的輸入噪聲N_1，i的相關 部分之間的相關性的相位與輸入和輸出噪聲之間的相位相同。于是， 只有C的實數部分(同相部分)引起噪聲抵消，因此理想的分布式放 大器的最小噪聲系數與1-C_r成比例。