[發明專利]用于全球定位導航系統的L波段寬帶低噪聲放大器

在審

• 申請號: 201710599125.4
• 申請日: 2017-07-21
• 公開（公告）號: CN107508562A
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: 謝生;楊晶;毛陸虹
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H03F1/26
• 分類號: H03F1/26;H03F1/34
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 劉國威

技術領域

本發明涉及射頻低噪聲放大器領域，尤其涉及一種基于CMOS工藝的、采用噪聲消除技術的L波段寬帶低噪聲放大器。具體講,涉及用于全球定位導航系統的L波段寬帶低噪聲放大器。

背景技術

現有的全球定位導航衛星系統(GNSS)包括美國的GPS、歐洲的Galileo、俄羅斯的GLONASS和我國的北斗衛星導航系統，用來實現定位、導航、檢測、管理等功能。根據衛星導航系統的定位原理及衛星信號特征，為實現GNSS接收機快速、連續、精確定位，多個衛星導航系統組合使用是未來發展的趨勢。因此，如何實現可兼容多種頻段的全球衛星導航系統成為了目前的研究熱點。

當前，大部分GNSS射頻接收機前端的接收頻率在L波段(1GHz-2GHz)。例如，GPS的工作頻段：L1C/A(中心頻率1575.42MHz)，L2C(中心頻率1227.6MHz)，L5(中心頻率1176.45MHz)；Galileo的工作頻段：E1(中心頻率1575.42MHz)，E5a(中心頻率1176.45MHz)，E6(中心頻率1278.75MHz)；GLONASS工作頻率：G1(1593MHz-1610MHz)，G2(1237MHz-1261MHz)；北斗的工作頻率：B1(1559.052MHz-1591.788MHz)，B2(1166.22MHz-1217.370MHz)，B3(1250.618MHz-1268.423MHz)。在射頻接收系統的設計中，提高接收端的靈敏度是實現L波段接收機的首要任務。在提高靈敏度的方法中，如何改善接收機放大電路自身的噪聲系數是研究的重中之重。

由接收機級聯噪聲系數的原理可知，位于接收機最前端的低噪聲放大器及其外圍電路的影響最為關鍵，因此改善低噪聲放大器的性能和設計水平，有著極為重要的意義。為了避免信道干擾，還要求低噪聲放大器具有較高的線性度。

隨著Si基CMOS工藝特征尺寸的不斷縮小，亞微米CMOS工藝的晶體管可以獲得幾十GHz的截止頻率，這為設計L波段低噪聲放大器提供了可能。近年來，研究人員基于亞微米CMOS工藝，對L波段低噪聲放大器的結構設計和性能優化開展了大量工作。例如，上海交通大學基于CMOS工藝設計出一款可在1.2GHz和1.5GHz兩個頻點工作的GNSS射頻前端低噪聲放大器；廣東工業大學基于CMOS工藝設計了一款可在1.57GHz頻點工作的低噪聲放大器；而南京航空航天大學設計了一種可在1.13-1.95GHz工作的寬帶低噪聲放大器，功率增益大于10dB，噪聲系數小于2.2dB。目前，研究所報道的單端低噪聲放大器多采用功率限制下的噪聲阻抗和輸入阻抗同時匹配(PCSNIM)的方法，在輸入級采用源簡并電感實現噪聲阻抗和輸入阻抗的匹配，并利用并聯的柵源電容來提高設計自由度。

但這種設計方法也存在一些不足之處：(1)該技術一般用于窄帶低噪聲放大器設計，對寬帶低噪聲放大器的設計而言，其所獲得的輸入反射系數和噪聲系數難以同時滿足整個工作帶寬的指標要求；(2)在L波段情況下，并聯的柵源電容在一定程度上犧牲了電壓增益，從而降低了抑制后繼電路噪聲的能力；(3)源簡并電感也會犧牲電路的電壓增益。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明旨在提出一款新型基于硅基CMOS工藝的、能夠兼容全球定位導航系統多個頻段的寬帶低噪聲放大器，并實現良好的噪聲性能和增益平坦度。為此，本發明采用的技術方案是，用于全球定位導航系統的L波段寬帶低噪聲放大器，由第一級放大電路、第二級放大電路、級間匹配單元及偏置電路組成，其中，第一級放大電路采用并聯電容的源電感反饋型共源共柵結構，提供輸入阻抗和噪聲阻抗匹配的設計自由度；第二級放大電路采用噪聲消除技術；級間匹配單元實現兩級放大電路的匹配，而偏置電路為整體電路提供偏置。

第一級放大電路中反饋電阻R_f和反饋電容C_f構成并聯負反饋的等效阻抗，MOS管M₁的柵源電容C_gs形成開環輸入阻抗；通過開環輸入阻抗和阻性負反饋等效阻抗的并聯，實現輸入阻抗匹配。

采用噪聲消除技術具體是，采用低噪聲放大器。

第二級放大電路由一個源跟隨器和一個共源電路組成。