GPS與北斗二代雙頻接收機(jī)低噪放模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

 摘要 設(shè)計(jì)并實(shí)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(duì)輸入輸出駐波的高要求。測(cè)試結(jié)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(diǎn)8dBm，滿足了導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)前端對(duì)低噪放模塊的要求。

全球定位系統(tǒng)(GPS)是20世紀(jì)70年代由美國(guó)陸、海、空3軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其主要目的是為陸、海、空3大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)、擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。根據(jù)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理及衛(wèi)星信號(hào)特征，為實(shí)現(xiàn)接收機(jī)快速、連續(xù)、精確定位，多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組合使用是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。本文就GPS和北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)在接收機(jī)前端的組合應(yīng)用進(jìn)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(hào)進(jìn)行低噪聲放大，濾波后輸出至接收機(jī)。本文設(shè)計(jì)實(shí)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(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn)，可用于導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)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(duì)于模塊設(shè)計(jì)，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(biāo)上，單片低噪聲放大器比分立元件有較大優(yōu)勢(shì)。但由于本模塊對(duì)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(jí)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(lái)保護(hù)低噪聲放大器免受大功率輸入信號(hào)的燒毀。第二級(jí)和第三級(jí)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(shè)計(jì)

在射頻微波晶體管放大器的設(shè)計(jì)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(duì)于低噪聲放大器，通常情況下設(shè)計(jì)的目標(biāo)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(shí)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(shè)計(jì)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(fù)實(shí)部，則該電路可能發(fā)生振蕩，所以必須對(duì)放大器進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)。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(wú)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(biāo)的實(shí)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(biāo)。對(duì)于單級(jí)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(gè)參數(shù)均為晶體管的噪聲參數(shù)。Γs為實(shí)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(duì)于每個(gè)Fmin只有一個(gè)Γopt與之對(duì)應(yīng)。

2.3 放大器的1 dB壓縮點(diǎn)

1 dB壓縮點(diǎn)是表征放大器線性度的一個(gè)量，放大器有一個(gè)線性動(dòng)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(jìn)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(hào)增益所預(yù)計(jì)的值。通常將增益下降到比線性增益低1 dB時(shí)的輸出功率值定義為輸出功率的1 dB壓縮點(diǎn)。而對(duì)于模塊或系統(tǒng)，1dB壓縮點(diǎn)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(shè)計(jì)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(duì)放大器的直流偏置電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)放大器的增益、噪聲系數(shù)和駐波進(jìn)行仿真優(yōu)化。

設(shè)計(jì)時(shí)，源極串聯(lián)電感作為負(fù)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(shí)現(xiàn)，這樣做簡(jiǎn)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(yīng)明顯，所以仿真電路時(shí)，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(diǎn)和電感電容元件的寄生效應(yīng)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(gè)低噪聲放大器的仿真電路如圖2所示。

放大器的仿真結(jié)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(shuō)明在7 GHz以下，放大器均無(wú)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(duì)低噪聲放大器的指標(biāo)要求。從圖3(b)可看出，單個(gè)低噪聲放大器的輸入1 dB壓縮點(diǎn)為0 dBm，輸出1 dB壓縮點(diǎn)為16.4 dBm。

3 模塊設(shè)計(jì)

3.1 模塊增益設(shè)計(jì)

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

3.2 模塊噪聲設(shè)計(jì)

對(duì)于模塊的噪聲設(shè)計(jì)，需使用系統(tǒng)或模塊的噪聲系數(shù)級(jí)聯(lián)公式

由噪聲系數(shù)級(jí)聯(lián)公式可知，在接收機(jī)中，第一級(jí)濾波器和第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)對(duì)模塊或系統(tǒng)的影響較大，所以第一級(jí)放大器一般做最低噪聲匹配。由圖3可知，所設(shè)計(jì)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(shí)際做出的放大器噪聲系數(shù)會(huì)惡化。假設(shè)實(shí)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(jí)聲表面波濾波器噪聲系數(shù)分別為1.1 dB，第一級(jí)衰減器2 dB，第二級(jí)衰減器4 dB，則根據(jù)系統(tǒng)級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)計(jì)算公式，整個(gè)模塊總噪聲系數(shù)為1.71 dB。

4 測(cè)試及結(jié)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(cè)試結(jié)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(shí)，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(duì)于噪聲系數(shù)，測(cè)試結(jié)果相比仿真結(jié)果高出0.3 dB，一方面可能是因?yàn)榈谝患?jí)介質(zhì)濾波器的插入損耗過(guò)大，另一方面可能是因?qū)嶋H制作的低噪聲放大器的匹配電路引入了過(guò)多的寄生損耗，導(dǎo)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(diǎn)，在中心頻點(diǎn)1 568 MHz處，測(cè)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(diǎn)約在8 dBm。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)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(duì)輸入輸出駐波進(jìn)行靈活調(diào)試。最終測(cè)試結(jié)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(diǎn)8 dBm，滿足導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)前端對(duì)低噪放模塊的要求。