北斗導航接收機LNA的設計與仿真余之喜;蘇凱雄;陳俊;楊華煒【摘要】為了實現北斗衛(wèi)星導航接收機射頻前端的研制，根據接收機射頻模塊系統(tǒng)指標要求，包括增益、噪聲系數、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,源極傳榆線負反饋穩(wěn)定技術，實現輸入最佳噪聲匹配，輸出共扼匹配設計，并用ADS軟件進行仿真，得到增益32dB,噪聲系數0.45dB,輸入駐波比1.5.%InordertoachievethedevelopmentofBeiDounavigationsatellitereceiverfront-end,accordingtothesystem'srequirementsincludingthegain,noisefigure,sensitivityandotherkeyindicators,aLNAdesignbasedonATF54143isintroduced.Thedesignusedtwo-stagestructureandsourcetransmissionlinenegativefeedbacktechnology,inputthebestnoisematchandoutputconjugatematcheddesign,performedsimulationwithADSsoftwaretoget32dBgain,0.45dBnoisefigureand1.5inputVSWR.【期刊名稱】《現代電子技術》【年(卷)，期】2012(035)005【總頁數】4頁(P99-101,104)【關鍵詞】北斗導航;接收機;射頻前端;低噪聲放大器【作者】余之喜;蘇凱雄;陳俊;楊華煒【作者單位】福州大學物理與信息工程學院福建福州350002;福州大學物理與信息工程學院福建福州350002;福州大學物理與信息工程學院福建福州350002;福州大學物理與信息工程學院，福建福州350002【正文語種】中文【中圖分類】TN928-340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，并且可以實現各用戶之間、用戶與中心控制站之間的簡短報文通信［1］。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過調制、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［2］。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)?！ū倍贰毙盘柕竭_地面的最低功率為-127.6dBm，正常時為-116.8dBm，載波頻率為2491.75MHz，帶寬為8.16MHz。設計的接收機要保證系統(tǒng)在大部分時間內都能對衛(wèi)星信號進行有效地捕獲，這樣設定接收機的靈敏度為[3]-118dBm。現在北斗接收機射頻芯片的最低輸入信號功率一般為[4]-100dBm，所以LNA增益需要大于18dB，考慮一定的余量，增益設計為[5]30dB。為了實現正常的OQPSK解調，射頻接收部分輸出給基帶部分的信噪比為-17dB，根據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為[3]3.8dB。前端低噪聲放大器的指標要求如表1所示。表1低噪聲放大器的要求工作頻率/MHz增益/dB輸入駐波噪聲系數/dB輸入阻抗/Q輸出阻抗/Q2491.75±4.0830<1.5(@2491.75MHz)<1.350502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的靜態(tài)工作點，并抑制晶體管參數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及功率增益等參數。從ATF-54143手冊可以看出，該放大管在源漏極電流20mA靜態(tài)工作點下，在2.4GHz頻點上的最大功率增益是16.5dB，可以得到最小的噪聲系數為0.4dB。由于ATF54143的封裝上有兩個柵極，因此偏置電流ID設計為40mA，通過計算可以得到偏置電阻R1=337Q,R2=38Q。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，反而會出現振蕩信號。穩(wěn)定性意味著反射系數的模小于1[6],即：|「L|<1,|「S|<1—般晶體管的S11和S22參數的模小于1,S12不為0,不能把晶體管視為單向性元件，輸入反射系數不僅和S11有關系，同時和負載反射系數rL有關，不合適的負載，有可能使|「in|>1，導致輸入端不穩(wěn)定；同理，不合適的源反射系數「S,有可能使|「out|>1,導致輸出端不穩(wěn)定。在進行低噪聲放大器穩(wěn)定性分析時，需要在放大器的直流和交流通路之間添加射頻扼流電路，它實質是一個無源低通電路，使直流偏置信號能傳輸到晶體管引腳，而晶體管的射頻信號不能進入直流通路，這里先用村田電感模型進行仿真，再加上旁路電容。同時，直流偏置信號不能傳到兩端的Term端口，需要加隔直電容。通過仿真，得出在2.49GHz工作頻率下的穩(wěn)定性系數為0.968。由晶體管放大器理論可知，該放大器電路不穩(wěn)定，為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，最常用的方法就是添加負反饋。本次設計中，采用在源極添加一小段短路傳輸線作為負反饋，加上偏置電路和反饋后的電路如圖1所示，仿真結果如圖2所示。由圖可以看出，在整個頻帶下都是穩(wěn)定的。圖1穩(wěn)定性分析圖2穩(wěn)定性系數2.3噪聲分析對許多射頻放大器來說，在低噪聲前提下對信號進行放大是系統(tǒng)的基本要求，可惜放大器的低噪聲要求與其他參數，如穩(wěn)定性、增益等相沖突［7］。圖3是等噪聲系數圓和等增益系數圓的仿真結果。m2是最大增益時的輸入阻抗;m3和m4是最小噪聲時的輸入阻抗。從仿真結果中可以看出，最小噪聲特性和最大增益是不能同時實現的，為了得到較小的噪聲系數，必然會減小LNA的增益，所以，噪聲和增益必須擇中選取。一般LNA的設計原則是把源阻抗匹配到最佳噪聲源阻抗，犧牲一定的增益，此時的噪聲系數為0.427dB，增益為15.78dB。圖3匹配前等噪聲和增益系數圓2.4最佳噪聲匹配電路設計從等噪聲系數圓的仿真結果可以看出，源阻抗需匹配到最佳噪聲源阻抗(23.65-j*21.1)Q,在設計輸入匹配電路時，需把最佳源阻抗的共扼(23.65+j*21.0)Q變換為輸入阻抗50Q。設計輸出匹配電路時，先通過仿真工具得到晶體管的輸出阻抗為(56.73方*30.562)Q,把50Q變換為該阻抗的共扼(56.739+j*30.562)Q,輸入、輸出匹配電路設計如圖4所示。圖4匹配后等噪聲和增益系數圓仿真結果如圖5所示，可以看出已經是最低噪聲匹配，此時的增益為15.740dB。圖5單級放大器增益2.5兩級放大器設計為了達到30dB的增益，需要采用兩級結構，第一級放大器的噪聲系數對系統(tǒng)的影響最大，因此第一級應用最小噪聲系數匹配的原則來完成電路設計，第二級用共扼匹配設計，以達到增益最大化的要求。設計電路如圖6所示，兩級之間的連接應該采用共扼匹配設計，以防止回波損耗變大而使系統(tǒng)的性能變差。圖6兩級放大器電路同時為了使電源輸入端更好的射頻接地，需要在電源端并聯三個電容，分別為1mF,10nF和10pF，它們具有不同的自諧振頻率，這樣能使整個頻帶都具有較好的接地效果。由于較高的增益會使得輸入駐波比變差，所以通過ADS自帶的調諧功能，調整輸出匹配電路，使得在增益和駐波比兩個方面都達到一個比較理想的結果。3仿真結果分析兩級整體電路的S參數、噪聲系數和穩(wěn)定性系數的仿真結果分別如圖7~圖9所示。從仿真結果可以看出，噪聲系數為0.451dB，增益為31.824dB，已達到設計要求，通帶平坦度小于1.0dB，輸入端口回波損耗為14.023dB，輸入駐波比小于1.5，滿足北斗導航接收機LNA設計要求。圖7S參數仿真結果圖8噪聲系數仿真結果圖9穩(wěn)定性系數仿真結果4結語針對射頻接收模塊系統(tǒng)指標要求，對參數的指標進行了分析，根據噪聲系數、靈敏度、增益等關鍵指標要求，提出了一種基于ATF54143的低噪聲放大器設計方案，并用ADS軟件進行了仿真，得到了仿真數據，為后面設計、調試硬件電路板提供了理論依據。參考文獻王曉明，殷耀國，楊自明.全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的現代化進展[J].全球定位系統(tǒng),2006(4):39-41.董自健，宋鐵成.衛(wèi)星定位接收機射頻模塊的研制[J].電視技術,2003(5):70-73.祖秉法.北斗接收機射頻模塊關鍵技術的研究[