北斗導航接收機LNA的設計與仿真

摘要：為了實現(xiàn)北斗衛(wèi)星導航接收機射頻前端的研制，根據(jù)接收機射頻模塊系統(tǒng)指標要求，包括增益、噪聲系數(shù)、靈敏度等關鍵指標要求，提出一種基于ATF54143的LNA設計方案，采用兩級結構，源極傳輸線負反饋穩(wěn)定技術，實現(xiàn)輸入最佳噪聲匹配，輸出共軛匹配設計，并用ADS軟件進行仿真，得到增益32 dB，噪聲系數(shù)0．45dB，輸入駐波比1．5。
關鍵詞：北斗導航；接收機；射頻前端；低噪聲放大器

0 引言
北斗導航系統(tǒng)是我國獨立研制開發(fā)的衛(wèi)星導航定位通信系統(tǒng)，可以對我國領土、領海及周邊地區(qū)的用戶進行定位及定時授時，并且可以實現(xiàn)各用戶之間、用戶與中心控制站之間的簡短報文通信。
作為衛(wèi)星定位導航接收機系統(tǒng)關鍵部分的射頻模塊，主要包含接收與發(fā)射兩大部分。接收部分的主要功能是接收來自多顆衛(wèi)星的微弱的S波段微波信號，并將其進行低噪聲放大、濾波和下變頻后形成中頻信號，送給后端處理模塊；發(fā)射部分則將本機的短信息經(jīng)過調(diào)制、上變頻和放大后形成大功率的L波段射頻信號，再通過天線發(fā)送給衛(wèi)星。因此，射頻模塊的高性能、高可靠性是保證整機正常工作的前提。
本文根據(jù)系統(tǒng)指標要求，提出一種基于ATF54143的LNA設計方案，并用ADS軟件進行了仿真。

1 接收機低噪聲放大器指標要求
射頻前端是所有無線電接收機中最關鍵的組成部分，射頻前端的設計一直是無線電接收機中最關鍵的環(huán)節(jié)。“北斗”信號到達地面的最低功率為-127．6 dBm，正常時為-116．8 dBm，載波頻率為2 491．75 MHz，帶寬為8．16 MHz。設計的接收機要保證系統(tǒng)存大部分時間內(nèi)都能對衛(wèi)星信號進行有效地捕獲，這樣設定接收機的靈敏度為-118 dBm。現(xiàn)在北斗接收機射頻芯片的最低輸入信號功率一般為-100dBm，所以LNA增益需要大于18 dB，考慮一定的余量，增益沒計為30 dB。為了實現(xiàn)正常的OQPSK解調(diào)，射頻接收部分輸出給基帶部分的信噪比為-17dB，根據(jù)北斗接收機的靈敏度要求，可以得到北斗接收機的最大噪聲系數(shù)為3．8 dB。前端低噪聲放大器的指標要求如表1所示。

2 基于ATF54143的低噪聲放大器設計
2．1 偏置電路設計
偏置電路是放大器不可缺少的電路單元，偏置的作用是在特定的工作條件下為有源器件提供適當?shù)撵o態(tài)工作點，并抑制晶體管參數(shù)的離散性以及溫度變化的影響，從而保持恒定的工作特性。如果偏置電路設計不當，會影響電路的噪聲系數(shù)及功率增益等參數(shù)。從ATF-54143手冊可以看出，該放大管在源漏極電流20 mA靜態(tài)工作點下，在2．4GHz頻點上的最大功率增益是16．5 dB，可以得到最小的噪聲系數(shù)為0．4 dB。
由于ATF54143的封裝上有兩個柵極，因此偏置電流ID，設計為40 mA，通過計算可以得到偏置電阻R1=337Ω，R2=38Ω。
2．2 穩(wěn)定性分析
放大器電路必須滿足的首要條件之一是其在工作頻帶內(nèi)的穩(wěn)定性，當一個射頻放大器工作在不穩(wěn)定區(qū)域時，該電路就無法完成正常的放大作用，反而會出現(xiàn)振蕩信號。穩(wěn)定性意味著反射系數(shù)的模小于1，即：

一般晶體管的S11和S22參數(shù)的模小于1，S12不為0，不能把晶體管視為單向性元件，輸入反射系數(shù)不僅和S11有關系，同時和負載反射系數(shù)ΓL有關，不合適的負載，有可能使|Γin|>1，導致輸入端不穩(wěn)定；同理，不合適的源反射系數(shù)Γs，有可能使|Γout|>1，導致輸出端不穩(wěn)定。