專利名稱：減小脈動噪聲的微波放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種減小脈動噪聲(beat noise)的微波放大器，特別涉及用于放大含有多個不同載波頻率的微波信號的微波放大器。
通常，衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用以較低頻率輸入信號調(diào)制的微波(甚高頻波)載波。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)射器中，微波信號用微波放大器進行高增益倍數(shù)的放大，該微波放大器中含有由FET實現(xiàn)的有源元件。在常規(guī)的微波放大器中，通過作為對微波信號中抵抗載波頻率的高阻抗元件的微波帶線路或λg/4線路向該有源元件施加合適的DC(直流)偏置電壓?！唉薵”指微波信號的波長。


圖1顯示了微波放大器一個部分的電路圖，圖2是圖1的電路部分的俯視圖。FET 10的漏極與λg/4線路11的一端連接，線路11的另一端與施加偏壓VDS的DC電源線連接，并通過一電容器12與地連接，該電容器12能通過低頻分量通過。
λg/4線路11和電容器的作用是作為一個DC偏置電路向FET 10的漏極施加DC偏壓VDS。FET 10的漏極對載波頻率有一個高阻抗。這種結構在例如專利公開JP-B-2-61175中作了說明。
在上述常規(guī)的DC偏置電路中，盡管λg/4線路11有一個低阻值元件R并且在λg/4線路11上產(chǎn)生一個低壓降，當微波信號中包括多個載波時，在λg/4線路中的電抗元件jX對低頻分量未予以考慮。低頻脈動和DC偏置電路在差頻范圍內(nèi)的電抗元件jX一起在偏壓VDS產(chǎn)生一個顯著的電壓。
例如，當載波頻率分別為f1和f2(f1＜f2)的兩個載波信號混頻時，產(chǎn)生一個頻率為f2-f1的脈動分量，從而造成向FET 10的漏極提供的偏置電流的波動。
偏置電流所流經(jīng)的λg/4線路阻抗為R+jX，從而向FET 10提供一個漏電壓VDS(t)，其值如下
VDS(t)=VDS-ID(t)×(R+jX)(1)其中ID(t)是流經(jīng)λg/4線路到漏極的電流。
如果產(chǎn)生一個脈動分量，F(xiàn)ET 10的漏極電壓VDS(t)就根據(jù)ID(t)、電阻元件R和電抗元件jX按式(1)的規(guī)律而波動。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)微波放大器的輸出包含這種由于脈動分量造成的DC偏壓波動而導致的失真本發(fā)明的一個目的是提供一種微波放大器，其能夠減少由多個載波產(chǎn)生的脈動分量而造成的信號失真。
本發(fā)明的目標是一種微波放大器，其包括一有源元件，例如FET，該放大器用于通過該有源元件的輸入端接收包括具有不同載波頻率的多個載波的輸入微波信號，以通過該有源元件的輸出端輸出一放大的信號。本發(fā)明的微波放大器包括一具有第一和第二端的濾波器單元，其中第一端與輸入端和輸出端之一相連，和至少一個第一電容器，其連接在所述第二端與地線之間，該濾波器單元在載波頻率下為第一阻抗值，而在由載波產(chǎn)生的脈動頻率下則是第二阻抗值。
根據(jù)本發(fā)明的微波放大器的原理，上述濾波器單元和電容器使由多個載波產(chǎn)生的脈動分量通過它們而接地，同時保持微波信號，從而減少由于脈動分量產(chǎn)生的失真。
本發(fā)明的上述以及其它目的、特點和優(yōu)點通過以下結合附圖所作的說明將更為明顯。
圖1是常規(guī)微波放大器的部分電路圖；圖2是圖1所示微波放大器一部分的俯視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明原理的微波放大器的部分電路圖；圖4根據(jù)本發(fā)明第一實施例的微波放大器的部分電路圖；圖5是圖4所示微波放大器一部分的俯視圖；圖6是圖4所示微波放大器一部分的側視圖；圖7是顯示NPR和輸出補償量之間關系的圖；圖8A,8B和8C是圖4中電感例子的示意俯視圖9是圖4中電容器的示意俯視圖；圖10是圖9中電容器的橫截面圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的微波放大器的部分電路圖；圖12是圖11中微波放大器的一部分的示意俯視圖；圖13是圖11中微波放大器的一個改進的部分電路圖；圖14是圖13中微波放大器的一部分的示意俯視圖；圖15是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的微波放大器的部分電路圖；圖16是圖15微波放大器的一部分的示意俯視圖；圖17是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的微波放大器的部分電路圖；圖18是圖17中微波放大器的一部分的示意俯視圖；圖19是根據(jù)本發(fā)明第五實施例的微波放大器的部分電路圖；圖20是圖19中微波放大器改進后的部分電路圖；圖21是根據(jù)本發(fā)明第六實施例的微波放大器的部分電路圖；圖22A和22B是顯示根據(jù)本發(fā)明的濾波單元的函數(shù)關系的圖；現(xiàn)在將參考附圖更具體地描述本發(fā)明，其中，在所有附圖中類同的構成元件用相同的標號來標注。
參考圖3，根據(jù)本發(fā)明原理的微波放大器。包括一個有源元件或一個FET 10，其具有一個構成輸入端的柵極(G)，用于接收輸入信號，一個與地連接的源極(S)，和一個與輸出線20連接的漏極(D)，以及一個包括λg/4線路11和電容器12的DC偏置電路，λg/4線路11連接在電源線VDS和輸出線20之間，而電容12連接在電源線VDS和地之間，這與常規(guī)微波放大器相似。根據(jù)本發(fā)明原理的微波放大器還包括一濾波器單元21和一個串接在輸出線20和地之間的電容器22。濾波器單元21的一端與FET 10漏極附近的輸出線部分相連。
濾波器單元21在頻率f0處為高阻抗，該頻率f0與微波信號的一個載波的波長λg相應，而在由多個載波頻率產(chǎn)生的脈動的差頻fB處為低阻抗。電容器22將差頻分量接地。DC偏置電路在載波頻率處有高阻抗，從而防止泄漏的微波輸入信號流向DC電源線VDS。
在濾波器單元21置于FET 10漏極附近的結構中，由于漏極和地之間的低電感，脈動分量可以有效地接地。因此在濾波器單元21和漏極之間的距離最好盡可能地小，而λg/4線路11的端子可以與輸出線20的任何點相連。
參考圖4所示的根據(jù)本發(fā)明第一實施例的微波放大器，圖3中的濾波器單元21是用一個LC并聯(lián)諧振電路實現(xiàn)的，該電路包括一電容器21A和一個與其并聯(lián)的電感(或感性元件)21B，在這種配置下，由于在載波頻率下的LC諧振，在載波頻率下從FET 10漏極到地的阻抗是非常高的(基本上是開路的)，而由于在差頻附近沒有產(chǎn)生LC諧振，所以在差頻下的阻抗就很低。
在第一實施例中，電路元件數(shù)目和電路規(guī)模可以由于濾波器單元21和高電容值電容器22的簡單結構而減小。參考圖5和圖6所示的圖4中微波放大器的結構，電感元件21B通過將FET 10漏極附近的輸出線20和電容器22的一端鍵合在一起的鍵合線來實現(xiàn)，從而提供了微波放大器的簡單結構。
LC諧振電路21的電容C和電感L可以通過載波頻率f0用下式計算f0=120πLC---(2)]]>電容器22可以用一個大電容的片式電容器(分離式六面體電容器)來實現(xiàn)，其中電容器C22的電容值選擇為使其在差頻下的阻抗值基本上為零。
假定fB=10MHz，而C22=1μm，電容器22的阻抗值Z如下Z=120π×fB×C2=0.02Ω]]>這樣，就可以得到在脈動頻率附近的合適的低阻抗。
參考圖7所示用NPR(dB)和輸出補償量(dB)來表示的NPR(噪聲一功率比)特性，以將具有長度為λg/4微波帶線路的情況(A1曲線)和LC并聯(lián)諧振電路的情況(A2曲線)相比較。補償量的輸出用于確定輸出的工作點，它被確定為從飽和點估計的補償量。這里所用的NPR特性這一術語是眾所周知的表示功率放大器線性度的指數(shù)。當多個信號波被加到典型放大器的輸入端時，放大器除了發(fā)送所要的輸出分量外，還發(fā)送由于放大器失真產(chǎn)生的不希望的輸出分量，通常這會降低放大器輸出信號的質量。
特別是，在移動通信系統(tǒng)中，站的數(shù)目很大，因此，單個放大器操作放大大量的信號頻率。但是，難于測試這種放大器的線性度，因為必須為測試中的輸入信號提供大量的信號發(fā)生器，而這實際上是不可行的。建議用一個如下所述的噪聲源來測試放大器的線性度。
建議的測試采用一個在包括噪聲分量的噪聲頻帶中的噪聲信號，該噪聲信號包括一不包含噪聲分量的隙縫頻帶。輸入該噪聲信號以測試一放大器，對其輸出進行有關隙縫頻帶中功率密度與噪聲頻帶中功率密度比率的檢查。所測得的隙縫頻帶中功率密度與噪聲頻帶中功率密度的比率可體現(xiàn)放大器線性度的優(yōu)劣。該比率一般稱為NPR，其中較大的NPR絕對值意味著在放大多個輸入頻率的放大器中有較小的失真，或是較好的線性度。
第一實施例中用作濾波器單元的的LC并聯(lián)諧振電路21與λg/4微波帶線路11相比具有較小的電抗值jX。設置用以通過差頻分量的電容器22減少了由多個載波頻率造成的在輸出線20上的脈動。
在圖7中，A2曲線所示的本發(fā)明的NPR特性較之A1曲線所示的常規(guī)微波放大器NPR特性在輸出補償量的一個寬范圍內(nèi)得到改善。
參考圖8A、8B和8C，電感21B可以用一個線圈21B1(圖8A)、或一個彎曲的互連構形21B2(圖8B)，或是螺旋式互連構形21B3(圖8C)實現(xiàn)。線圈21B1的優(yōu)點是電感相對較大，而彎曲的互連構形21B2或是螺旋式互連構形和21B3的優(yōu)點是可減少材料成本和制造步驟數(shù)目。
參考圖9和圖10，根據(jù)本發(fā)明第一實施例的微波放大器在一個單片微波集成電路(MMIC)上實現(xiàn)，其中由互連構形的電極彼此層疊，以便在襯底上形成電容器21A。在此結構中，電路元件可以通過一種薄膜技術在襯底上形成，以減少微波放大器的成本和部件。
參考圖11和圖12，根據(jù)本發(fā)明第二實施例的微波放大器包括一組電容器22A、22B和22C，它們彼此并聯(lián)，代替圖4中的高電容值電容器22。并聯(lián)電容器22A、22B和22C減小了微波放大器的尺寸。在這種構造中，上述電容器中電容值較小的一個的位置距濾波器單元21的距離比其它具有較大電容值的電容器近。此外，在許多差頻分量中較高差頻分量被置于濾波器單元21附近的電容器22A衰減，而其中較低的差頻分量被距濾波器單元21較遠的電容器22C衰減。因此，由于較高頻率范圍內(nèi)的自諧振而產(chǎn)生的電容器的自諧振劣化，特別是較大電容值的電容器22C的自諧振劣化被可被減輕。
參考圖13和14所示的對圖11和12的微波放大器的改進，在取消電容器22B之后，另一個電感元件23連接在低電容值電容器22A的一端和高電容值電容器22C的一端之間。電感元件23通過截除電容器22C中的較高頻率分量來保護較大電容值電容器不會由于LC諧振而劣化。
參考圖15和16，根據(jù)本發(fā)明第三實施例的微波放大器與第一實施例中的相似，不同之處在于DC偏壓加在電容器22和濾波器單元21相連接的節(jié)點上，從而通過濾波器單元21施加給FET 10的漏極。
在本實施例中，在載波頻率下可獲得高阻抗，這與第一實施例相似。因此，可防止微波信號泄漏至DC電源線VDS。此外，在本實施例中，因為所有的電路元件可以實際上置于輸出線20的一側，如圖16所示，從而可以減少微波放大器所占據(jù)的面積。
參考圖17，根據(jù)本發(fā)明第四實施例的微波放大器具有一用帶阻濾波器(BRF)實現(xiàn)的濾波器單元21，該BRF包括一電感(L)和一對電容器(C)，每一電容器連接在電感(L)相應一端和地之間，也可包括一組串聯(lián)的電感(L)和一組電容，每個電容分別連接在這些電感之一的相應的一端和地之間，以構成一個π電路。
參考圖18，其所示為圖17中的微波放大器有單個電感(L)的情況，其中電感(L)用一根鍵合線實現(xiàn)，而一對電容器(C)則用片式電容器實現(xiàn)。通過本實施中適當阻抗與電容的組合，與第一實施例相比可以獲得更寬的頻率范圍。
參考圖19，根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的微波放大器有一個第一濾波器單元31和一個第一電容器32，它們串聯(lián)在FET 10的漏極(20)和地之間，與第一實施例類似，一第二濾波器單元41和一第二電容器42串聯(lián)在FET 10的柵極(25)和地之間。在本實施例中，脈動噪聲可以在FET 10的輸出側被衰減之外，在FET 10輸入側也被衰減，從而有效地減少由于脈動噪聲所造成的輸出失真。本實施例的一個改進是第一濾波器單元31和第一電容器32可以被省略。
參考圖20，根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的微波放大器與參考圖13所描述的相似。特別地，圖19中的電容器32和42被相應的π連接所替代，每個π連接包括一對電容器32A(42A)和32B(42B)，以及一個電感33(43)，其連接在電容器32A(42A)一端與電容器32B(42B)的一端之間。電容器32A(42A)的電容比電容器32B(42B)小。通過這一結構，高頻分量被電感33和43消除，這防止了由于在高頻時諧振造成的較高電容值電容器32B或42B的劣化。用π連接進行的替代可以只用在圖19中FET 10的漏極一側。在這種情況下，可以獲得與第一實施例相似的優(yōu)點。
參考圖21，根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的微波放大器有一對FET用于并行放大。具有內(nèi)部阻抗匹配功能的該微波放大器包括一個分頻器71，用于通過輸入端70接收輸入信號，一對輸入匹配單元72和82，每一個都從分頻器71接收輸出信號，一對FET 73和83，分別用于從相應的輸入匹配單元72或82接收輸出信號，一對輸出匹配單元74和84，分別用于從相應的FET 73和83接收輸出信號，以及一個加法器75，用于從輸出匹配電路74和84接收輸出信號，以使其相加并通過微波放大器的輸出端76傳送一個輸出信號。
在工作中，通過輸入端70饋給的微波信號通過分頻器71分配并提供給輸入匹配單元72和82，其中輸入信號用電感和電容器進行阻抗匹配。由FET 73和83放大的微波信號在各自的輸出匹配單元74和84中被再次阻抗匹配，然后在加法器75中相加以通過輸出端76輸出。
當具有內(nèi)部阻抗匹配功能的常規(guī)微波放大器收到包含在微波信號中的多個載波時，載波頻率產(chǎn)生低頻脈動噪聲，這使得輸出信號由于輸入匹配單元72和82或輸出匹配單元74和84的阻抗、傳輸線路的相移以及與鍵合線相關的電抗分量jX而失真。
在本實施例中，一對鍵合線構形77和87被分別置于FET 73和83的附近，并與相應的漏極相連。濾波器單元51或53在該濾波器單元的一端與相應的鍵合線構形77或87相連，一電容器52或54連在濾波器單元51或53的另一端相連，以通過脈動噪聲。
在本實施例中，濾波器單元51通過LC諧振電路實現(xiàn)，該LC諧振電路包括一電容器51A和一電感51B。而濾波器單元53由包含電容53A和電感53B的LC諧振電路構成。在這種情況下，在低差頻下的負載阻抗從FET側看一般有一較大的電抗分量jX，這是由于輸出匹配單元74和84的電感或電容器以及加法器75傳輸線所造成的。置于漏極附近的并聯(lián)濾波器單元具有減少電抗分量jX的功能。
因此，由多個載波造成的低差頻分量可被衰減，由此減少了具有內(nèi)部阻抗匹配功能的微波放大器的輸出失真。失真的減少還可以在單個微波放大器工作的情況下獲得。本發(fā)明還可以用于具有分離元件的微波放大器和封裝類型的微波放大器。
參考圖22A和22B，其所示為一種確定本發(fā)明所使用的濾波器單元中電感和電容的方法。圖22A顯示了當用一低通濾波器作為濾波器單元的情況，而圖22B顯示了當用一帶阻濾波器(BRF)作為濾波器單元的情況。在任何一種情況下，電感和電容應當被確定，以便濾波器單元在載波頻率f0處產(chǎn)生強衰減或高阻抗，而在低差頻fB處產(chǎn)生弱衰減或低阻抗。
因為上述的實施例只是作為例子來描述的，本發(fā)明并不限于上述的實施例，本領域的技術人員可以在不脫離本發(fā)明范圍的情況下對本發(fā)明作各種修改或變化。
權利要求
1．一種微波放大器，包括一有源元件，用于通過該有源元件的輸入端接收包括具有不同載波頻率的多個載波的輸入微波信號，以通過該有源元件的輸出端輸出一放大的信號；一具有第一和第二端的濾波器單元，其中所述第一端與所述輸入端和所述輸出端之一相連，和至少一個第一電容器，其連接在所述第二端與地線之間；其特征在于所述濾波器單元在所述載波頻率下為第一阻抗值，而在由所述載波產(chǎn)生的脈動頻率下則是第二阻抗值，所述第一阻抗值大于所述第二阻抗值。
2．根據(jù)權利要求1所述的微波放大器，還包括一個偏置電路，以用DC電壓偏置所述輸出端。
3．根據(jù)權利要求1所述的微波放大器，其特征在于所述濾波器單元包括一LC諧振電路，該LC諧振電路包括并聯(lián)的第二電容器和一個電感，并在所述載波頻率附近產(chǎn)生諧振。
4．根據(jù)權利要求3所述的微波放大器，其特征在于所述電感由一根鍵合線或一個線圈實現(xiàn)。
5．根據(jù)權利要求3所述的微波放大器，其特征在于所述電感由一包括彎曲線或螺旋線的互連構形實現(xiàn)。
6．根據(jù)權利要求1所述的微波放大器，其特征在于所述第一電容器包括一夾在絕緣膜之間的薄膜導體構形。
7．根據(jù)權利要求1所述的微波放大器，其特征在于所述至少一個第一電容器包括一組彼此并聯(lián)的第一電容器。
8．根據(jù)權利要求7所述的微波放大器，其特征在于所述第一電容器中具有較低電容值的一個電容器比具有較高電容值的其它電容器更近地與所述有源元件的所述輸出端連接。
9．根據(jù)權利要求8所述的微波放大器，還包括一連接在與所述其中一個第一電容器與另一個所述第一電容器之間的電感。
10．根據(jù)權利要求1所述的微波放大器，還包括一偏置電路，用于將一DC偏壓施加給連接所述濾波器單元和所述第一電容器的節(jié)點。
11．根據(jù)權利要求1所述的微波放大器，其特征在于所述濾波器單元包括一低通濾波器或一帶阻濾波器。
12．一種微波放大器，包括一個分頻器，用于接收包括具有不同載波頻率的多個載波的輸入微波信號，以在一對分配端子上輸出一分配的微波信號；一對輸入匹配單元，各有一輸入端與所述分配端的相應一端相連，以接受所述分配的微波信號并輸出一輸入匹配信號；一對有源元件，分別用于接收所述輸入匹配信號以通過所述每個有源元件的一個輸出端輸出一放大信號；一對輸出匹配電路，分別用于從所述有源元件中相應的一個接收所述放大信號，并輸出一個輸出匹配信號；以及一個加法器，用于從所述每個輸出匹配電路接收所述輸出匹配信號以進行相加；一對濾波器單元，各具有第一和第二端，所述第一端與相應的一個所述有源元件的所述輸入端和所述輸出端中之一相連，和至少一個第一電容器，其連接在所述相應的一個有源元件的所述第二端與地線之間，其特征在于每個所述濾波器單元在所述載波頻率下為第一阻抗值，而在由所述載波產(chǎn)生的脈動頻率下則是第二阻抗值，所述第一阻抗值大于所述第二阻抗值。
全文摘要
一種微波放大器,包括一偏置電路和一個濾波器單元,該偏置電路包含一微波帶線路和一電容器,以用DC電壓對FET的輸出線路進行偏置,濾波器單元用一個低通濾波器或一帶阻濾波器及一個電容器串聯(lián)在輸出線和地之間來實現(xiàn)。該濾波器單元使包括在FET輸入信號中的兩個載波信號所產(chǎn)生的脈動頻率通過,而在輸出線上保留載波信號。
文檔編號H03F3/60GK1219025SQ98123560
公開日1999年6月9日 申請日期1998年10月29日 優(yōu)先權日1997年10月29日
發(fā)明者齊藤茂 申請人:日本電氣株式會社