GPS與北斗二代雙頻接收機低噪放模塊設計實現(xiàn)

摘要 設計并實現(xiàn)了一款覆蓋GPS L1波段和北斗二代B1波段的低噪放模塊。該模塊中的低噪聲放大器使用分立元件搭建，匹配電路調(diào)試靈活，滿足了模塊對輸入輸出駐波的高要求。測試結果表明，低噪放模塊增益為26 dB，帶內(nèi)增益平坦，輸入輸出駐波1.5，噪聲系數(shù)2 dB，帶外抑制度80 dBc，輸出1 dB壓縮點8dBm，滿足了導航系統(tǒng)接收機前端對低噪放模塊的要求。

全球定位系統(tǒng)(GPS)是20世紀70年代由美國陸、海、空3軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，其主要目的是為陸、海、空3大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務。北斗導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、擁有獨立知識產(chǎn)權的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。根據(jù)全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位原理及衛(wèi)星信號特征，為實現(xiàn)接收機快速、連續(xù)、精確定位，多個衛(wèi)星導航系統(tǒng)組合使用是未來發(fā)展的趨勢。本文就GPS和北斗二代導航系統(tǒng)在接收機前端的組合應用進行了探索。

低噪放模塊的主要功能是將天線所接收到的射頻信號進行低噪聲放大，濾波后輸出至接收機。本文設計實現(xiàn)了一款覆蓋GPS L1波段(1 575.42±1.023 MHz)和北斗二代B1波段(1 561.098±2.046 MHz)的低噪放模塊，其具有輸入輸出駐波小、增益高、噪聲系數(shù)小、帶外抑制度高、輸出1 dB壓縮點高等優(yōu)點，可用于導航系統(tǒng)的接收機前端。

1 概述

本方案的低噪放模塊主要由帶通濾波器、低噪聲放大器和衰減器等組成，總體框圖如圖1所示。

對于模塊設計，低噪聲放大器一般選取集成芯片;在增益、噪聲系數(shù)等指標上，單片低噪聲放大器比分立元件有較大優(yōu)勢。但由于本模塊對輸入輸出駐波要求較高，而集成芯片的駐波難以調(diào)試，所以選用分立元件搭建低噪聲放大器。第一級帶通濾波器選用介質(zhì)濾波器。介質(zhì)濾波器可濾除系統(tǒng)不需要的頻段，也可承受較大的功率，能夠用來保護低噪聲放大器免受大功率輸入信號的燒毀。第二級和第三級帶通濾波器選用聲表面波濾波器，以提高模塊的帶外抑制度。衰減器用于調(diào)節(jié)模塊的增益。

2 低噪聲放大器的設計

在射頻微波晶體管放大器的設計中，需著重考慮的是電路的穩(wěn)定性、功率增益、工作帶寬、噪聲和直流偏置。而對于低噪聲放大器，通常情況下設計的目標是最小的噪聲系數(shù)。由于最小噪聲系數(shù)和最大功率增益不能同時得到，所以需在噪聲和增益之間做出折中考慮。

2.1 放大器的穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是射頻放大器設計需要考慮的重要因素，假如放大器的輸入或輸出端口阻抗中有負實部，則該電路可能發(fā)生振蕩，所以必須對放大器進行穩(wěn)定性檢驗。判斷放大器穩(wěn)定性的方法有穩(wěn)定性圓法，K-△法，單μ法。本文使用K-△法，具體判定公式為

其中，△=S11S22-S17S21。若K>1且△1，則放大器是無條件穩(wěn)定的;否則，放大器就有可能發(fā)生振蕩。

2.2 低噪聲指標的實現(xiàn)

噪聲系數(shù)的基本定義是放大器輸入和輸出信噪比的比值。噪聲系數(shù)是低噪聲放大器的重要指標。對于單級放大器而言，噪聲系數(shù)可表示為

其中，F(xiàn)min是晶體管的最小噪聲系數(shù);Γopt是獲取最小噪聲系數(shù)Fmin的源反射系數(shù);rn是歸一化噪聲電阻。這3個參數(shù)均為晶體管的噪聲參數(shù)。Γs為實際放大器的源反射系數(shù);Fmin是晶體管工作電流和頻率的函數(shù)，對于每個Fmin只有一個Γopt與之對應。

2.3 放大器的1 dB壓縮點

1 dB壓縮點是表征放大器線性度的一個量，放大器有一個線性動態(tài)范圍，在該范圍內(nèi)，放大器的輸出功率隨輸入功率線性增加。隨著輸入功率的繼續(xù)增大，放大器進入非線性區(qū)，其輸出功率不再隨輸入功率的增加而線性增加，通常情況下，其輸出功率低于小信號增益所預計的值。通常將增益下降到比線性增益低1 dB時的輸出功率值定義為輸出功率的1 dB壓縮點。而對于模塊或系統(tǒng)，1dB壓縮點表征的是模塊或系統(tǒng)的線性度。

2.4 低噪聲放大器的仿真

為設計一款用于GPS L1波段和北斗二代B1波段的低噪聲放大器，文中選用Avago公司的ATF54143晶體管，其增益高、噪聲小。利用ADS(Advanced Design System)軟件，并對放大器的直流偏置電路進行設計，對放大器的增益、噪聲系數(shù)和駐波進行仿真優(yōu)化。

設計時，源極串聯(lián)電感作為負反饋，用于增加放大器的穩(wěn)定性和控制增益及增益平坦度。由于電感值較小，因此利用一段短路微帶線實現(xiàn)，這樣做簡單方便，且成本低、易于調(diào)試。在微波射頻頻段，元器件的寄生效應明顯，所以仿真電路時，需考慮主要電路的焊盤分布參數(shù)、金屬孔化、不連續(xù)節(jié)點和電感電容元件的寄生效應等。在保證增益和輸入輸出駐波的前提下，使用最小噪聲匹配，使放大器的噪聲系數(shù)盡可能小。整個低噪聲放大器的仿真電路如圖2所示。

放大器的仿真結果如圖3所示。由圖3(a)可看出，在7 GHz以下，穩(wěn)定系數(shù)K>1且△1，這說明在7 GHz以下，放大器均無條件穩(wěn)定;在L1波段(1 575.42±1.023 MHz)和B1波段(1 561.098±2.046 MHz)，放大器的增益約為17 dB，噪聲系數(shù)約為0.6 dB，輸入駐波在1.2以下，輸出駐波在1.4以下，滿足低噪放模塊中對低噪聲放大器的指標要求。從圖3(b)可看出，單個低噪聲放大器的輸入1 dB壓縮點為0 dBm，輸出1 dB壓縮點為16.4 dBm。

3 模塊設計

3.1 模塊增益設計

在本方案中，為保證輸入輸出駐波的可調(diào)性，兩級低噪聲放大器均使用晶體管搭建，增益約為17 dB。兩級放大器共提供34 dB增益，3個濾波器的插損之和約為3 dB，故模塊的增益可達約31 dB。模塊的增益仍可由衰減器進行調(diào)整。

3.2 模塊噪聲設計

對于模塊的噪聲設計，需使用系統(tǒng)或模塊的噪聲系數(shù)級聯(lián)公式

由噪聲系數(shù)級聯(lián)公式可知，在接收機中，第一級濾波器和第一級放大器的噪聲系數(shù)對模塊或系統(tǒng)的影響較大，所以第一級放大器一般做最低噪聲匹配。由圖3可知，所設計的低噪聲放大器噪聲系數(shù)約為0.6 dB。由于電容電感的寄生電阻的影響和微帶線及PCB板的電磁損耗，實際做出的放大器噪聲系數(shù)會惡化。假設實際做出的放大器噪聲系數(shù)和介質(zhì)濾波器噪聲系數(shù)均為0.8 dB，兩級聲表面波濾波器噪聲系數(shù)分別為1.1 dB，第一級衰減器2 dB，第二級衰減器4 dB，則根據(jù)系統(tǒng)級聯(lián)噪聲系數(shù)計算公式，整個模塊總噪聲系數(shù)為1.71 dB。

4 測試及結果分析

將模塊的濾波器、放大器和衰減器裝配完成后，最終測試結果如圖4所示。

由圖4(a)可看出，在1.559～1 576 MHz內(nèi)，低噪放模塊增益約為26 dB，帶內(nèi)紋波0.5 dB以內(nèi)，輸入輸出駐波均在1.5以下;在1568± 50 MHz時，帶外抑制為80 dBc。由圖4(b)可看出，低噪放模塊的噪聲系數(shù)約為2.0 dB。

對于噪聲系數(shù)，測試結果相比仿真結果高出0.3 dB，一方面可能是因為第一級介質(zhì)濾波器的插入損耗過大，另一方面可能是因實際制作的低噪聲放大器的匹配電路引入了過多的寄生損耗，導致放大器噪聲系數(shù)增加。

為確定低噪放模塊的1 dB壓縮點，在中心頻點1 568 MHz處，測得低噪放模塊的輸入輸出功率，將數(shù)據(jù)用Origin軟件作圖如圖5所示。由圖5可知，低噪放模塊的輸出1 dB壓縮點約在8 dBm。

5 結束語

本文設計并實現(xiàn)了一款覆蓋GPS L1波段和北斗二代B1波段的低噪放模塊。該模塊中的低噪聲放大器使用分立元件搭建，便于對輸入輸出駐波進行靈活調(diào)試。最終測試結果表明，低噪放模塊增益為26 dB，帶內(nèi)增益平坦，輸入輸出駐波比1.5，噪聲系數(shù)2 dB，帶外抑制度80 dBc，輸出1 dB壓縮點8 dBm，滿足導航系統(tǒng)接收機前端對低噪放模塊的要求。