[发明专利]用于全球定位导航系统的L波段宽带低噪声放大器

说明书

技术领域

本发明涉及射频低噪声放大器领域，尤其涉及一种基于CMOS工艺的、采用噪声消除技术的L波段宽带低噪声放大器。具体讲,涉及用于全球定位导航系统的L波段宽带低噪声放大器。

背景技术

现有的全球定位导航卫星系统(GNSS)包括美国的GPS、欧洲的Galileo、俄罗斯的GLONASS和我国的北斗卫星导航系统，用来实现定位、导航、检测、管理等功能。根据卫星导航系统的定位原理及卫星信号特征，为实现GNSS接收机快速、连续、精确定位，多个卫星导航系统组合使用是未来发展的趋势。因此，如何实现可兼容多种频段的全球卫星导航系统成为了目前的研究热点。

当前，大部分GNSS射频接收机前端的接收频率在L波段(1GHz-2GHz)。例如，GPS的工作频段：L1C/A(中心频率1575.42MHz)，L2C(中心频率1227.6MHz)，L5(中心频率1176.45MHz)；Galileo的工作频段：E1(中心频率1575.42MHz)，E5a(中心频率1176.45MHz)，E6(中心频率1278.75MHz)；GLONASS工作频率：G1(1593MHz-1610MHz)，G2(1237MHz-1261MHz)；北斗的工作频率：B1(1559.052MHz-1591.788MHz)，B2(1166.22MHz-1217.370MHz)，B3(1250.618MHz-1268.423MHz)。在射频接收系统的设计中，提高接收端的灵敏度是实现L波段接收机的首要任务。在提高灵敏度的方法中，如何改善接收机放大电路自身的噪声系数是研究的重中之重。

由接收机级联噪声系数的原理可知，位于接收机最前端的低噪声放大器及其外围电路的影响最为关键，因此改善低噪声放大器的性能和设计水平，有着极为重要的意义。为了避免信道干扰，还要求低噪声放大器具有较高的线性度。

随着Si基CMOS工艺特征尺寸的不断缩小，亚微米CMOS工艺的晶体管可以获得几十GHz的截止频率，这为设计L波段低噪声放大器提供了可能。近年来，研究人员基于亚微米CMOS工艺，对L波段低噪声放大器的结构设计和性能优化开展了大量工作。例如，上海交通大学基于CMOS工艺设计出一款可在1.2GHz和1.5GHz两个频点工作的GNSS射频前端低噪声放大器；广东工业大学基于CMOS工艺设计了一款可在1.57GHz频点工作的低噪声放大器；而南京航空航天大学设计了一种可在1.13-1.95GHz工作的宽带低噪声放大器，功率增益大于10dB，噪声系数小于2.2dB。目前，研究所报道的单端低噪声放大器多采用功率限制下的噪声阻抗和输入阻抗同时匹配(PCSNIM)的方法，在输入级采用源简并电感实现噪声阻抗和输入阻抗的匹配，并利用并联的栅源电容来提高设计自由度。

但这种设计方法也存在一些不足之处：(1)该技术一般用于窄带低噪声放大器设计，对宽带低噪声放大器的设计而言，其所获得的输入反射系数和噪声系数难以同时满足整个工作带宽的指标要求；(2)在L波段情况下，并联的栅源电容在一定程度上牺牲了电压增益，从而降低了抑制后继电路噪声的能力；(3)源简并电感也会牺牲电路的电压增益。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一款新型基于硅基CMOS工艺的、能够兼容全球定位导航系统多个频段的宽带低噪声放大器，并实现良好的噪声性能和增益平坦度。为此，本发明采用的技术方案是，用于全球定位导航系统的L波段宽带低噪声放大器，由第一级放大电路、第二级放大电路、级间匹配单元及偏置电路组成，其中，第一级放大电路采用并联电容的源电感反馈型共源共栅结构，提供输入阻抗和噪声阻抗匹配的设计自由度；第二级放大电路采用噪声消除技术；级间匹配单元实现两级放大电路的匹配，而偏置电路为整体电路提供偏置。

第一级放大电路中反馈电阻R_f和反馈电容C_f构成并联负反馈的等效阻抗，MOS管M₁的栅源电容C_gs形成开环输入阻抗；通过开环输入阻抗和阻性负反馈等效阻抗的并联，实现输入阻抗匹配。

采用噪声消除技术具体是，采用低噪声放大器。

第二级放大电路由一个源跟随器和一个共源电路组成。