北斗導(dǎo)航接收機(jī)LNA的設(shè)計(jì)與仿真

摘要：為了實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)射頻前端的研制，根據(jù)接收機(jī)射頻模塊系統(tǒng)指標(biāo)要求，包括增益、噪聲系數(shù)、靈敏度等關(guān)鍵指標(biāo)要求，提出一種基于ATF54143的LNA設(shè)計(jì)方案，采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，源極傳輸線負(fù)反饋穩(wěn)定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輸入最佳噪聲匹配，輸出共軛匹配設(shè)計(jì)，并用ADS軟件進(jìn)行仿真，得到增益32 dB，噪聲系數(shù)0．45dB，輸入駐波比1．5。
關(guān)鍵詞：北斗導(dǎo)航；接收機(jī)；射頻前端；低噪聲放大器

0 引言
    北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是我國獨(dú)立研制開發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位通信系統(tǒng)，可以對(duì)我國領(lǐng)土、領(lǐng)海及周邊地區(qū)的用戶進(jìn)行定位及定時(shí)授時(shí)，并且可以實(shí)現(xiàn)各用戶之間、用戶與中心控制站之間的簡短報(bào)文通信。
    作為衛(wèi)星定位導(dǎo)航接收機(jī)系統(tǒng)關(guān)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(hào)，并將其進(jìn)行低噪聲放大、濾波和下變頻后形成中頻信號(hào)，送給后端處理模塊；發(fā)射部分則將本機(jī)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(hào)，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(jī)正常工作的前提。
    本文根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求，提出一種基于ATF54143的LNA設(shè)計(jì)方案，并用ADS軟件進(jìn)行了仿真。

1 接收機(jī)低噪聲放大器指標(biāo)要求
    射頻前端是所有無線電接收機(jī)中最關(guān)鍵的組成部分，射頻前端的設(shè)計(jì)一直是無線電接收機(jī)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。“北斗”信號(hào)到達(dá)地面的最低功率為-127．6 dBm，正常時(shí)為-116．8 dBm，載波頻率為2 491．75 MHz，帶寬為8．16 MHz。設(shè)計(jì)的接收機(jī)要保證系統(tǒng)存大部分時(shí)間內(nèi)都能對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行有效地捕獲，這樣設(shè)定接收機(jī)的靈敏度為-118 dBm。現(xiàn)在北斗接收機(jī)射頻芯片的最低輸入信號(hào)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(jì)為30 dB。為了實(shí)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(jī)的靈敏度要求，可以得到北斗接收機(jī)的最大噪聲系數(shù)為3．8 dB。前端低噪聲放大器的指標(biāo)要求如表1所示。

2 基于ATF54143的低噪聲放大器設(shè)計(jì)
2．1 偏置電路設(shè)計(jì)
    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(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，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(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)影響電路的噪聲系數(shù)及功率增益等參數(shù)。從ATF-54143手冊(cè)可以看出，該放大管在源漏極電流20 mA靜態(tài)工作點(diǎn)下，在2．4GHz頻點(diǎn)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(gè)柵極，因此偏置電流ID，設(shè)計(jì)為40 mA，通過計(jì)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(dāng)一個(gè)射頻放大器工作在不穩(wěn)定區(qū)域時(shí)，該電路就無法完成正常的放大作用，反而會(huì)出現(xiàn)振蕩信號(hào)。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(guān)系，同時(shí)和負(fù)載反射系數(shù)ΓL有關(guān)，不合適的負(fù)載，有可能使|Γin|>1，導(dǎo)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(dǎo)致輸出端不穩(wěn)定。
    在進(jìn)行低噪聲放大器穩(wěn)定性分析時(shí)，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(shí)質(zhì)是一個(gè)無源低通電路，使直流偏置信號(hào)能傳輸?shù)骄w管引腳，而晶體管的射頻信號(hào)不能進(jìn)入直流通路，這里先用村田電感模型進(jìn)行仿真，再加上旁路電容。同時(shí)，直流偏置信號(hào)不能傳到兩端的Term端口，需要加隔直電容。

    通過仿真，得出在2．49 GHz工作頻率下的穩(wěn)定性系數(shù)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(fù)反饋。本次設(shè)計(jì)中，采用在源極添加一小段短路傳輸線作為負(fù)反饋，加上偏置電路和反饋后的電路如圖1所示，仿真結(jié)果如圖2所示。由圖可以看出．在整個(gè)頻帶下都是穩(wěn)定的。
2．3 噪聲分析
    對(duì)許多射頻放大器來說，在低噪聲前提下對(duì)信號(hào)進(jìn)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(shù)，如穩(wěn)定性、增益等相沖突。圖3是等噪聲系數(shù)圓和等增益系數(shù)圓的仿真結(jié)果。m2是最大增益時(shí)的輸入阻抗；m3和m4是最小噪聲時(shí)的輸入阻抗。從仿真結(jié)果中可以看出，最小噪聲特性和最大增益是不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)的，為了得到較小的噪聲系數(shù)，必然會(huì)減小LNA的增益，所以，噪聲和增益必須擇中選取。一般LNA的設(shè)計(jì)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(shí)的噪聲系數(shù)為0．427dB，增益為15．78dB。

2．4 最佳噪聲匹配電路設(shè)計(jì)
    從等噪聲系數(shù)圓的仿真結(jié)果可以看出，源阻抗需匹配到最佳噪聲源阻抗(23．65-j*21．1)Ω，在設(shè)計(jì)輸入匹配電路時(shí)，需把最佳源阻抗的共軛(23．6S+j*21．0)Ω變換為輸入阻抗50 Ω。設(shè)計(jì)輸出匹配電路時(shí)，先通過仿真工具得到晶體管的輸出阻抗為(56．739-j*30．562)Ω，把50 Ω變換為該阻抗的共軛(56．739+j*30．562)Ω，輸入、輸出匹配電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

    仿真結(jié)果如圖5所示，可以看出已經(jīng)是最低噪聲匹配，此時(shí)的增益為15．740dB。
2．5 兩級(jí)放大器設(shè)計(jì)
    為了達(dá)到30 dB的增益，需要采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響最大，因此第一級(jí)應(yīng)用最小噪聲系數(shù)匹配的原則來完成電路設(shè)計(jì)，第二級(jí)用共軛匹配沒計(jì)，以達(dá)到增益最大化的要求。設(shè)計(jì)電路如圖6所示，兩級(jí)之間的連接應(yīng)該采用共扼匹配設(shè)計(jì)，以防止回波損耗變大而使系統(tǒng)的性能變差。

    同時(shí)為了使電源輸入端更好的射頻接地，需要在電源端并聯(lián)三個(gè)電容，分別為1μF，10 nF和1 0 pF，它們具有不同的自諧振頻率，這樣能使整個(gè)頻帶都具有較好的接地效果。由于較高的增益會(huì)使得輸入駐波比變差，所以通過ADS自帶的調(diào)諧功能，調(diào)整輸出匹配電路，使得在增益和駐波比兩個(gè)方面都達(dá)到一個(gè)比較理想的結(jié)果。

3 仿真結(jié)果分析
    兩級(jí)整體電路的S參數(shù)、噪聲系數(shù)和穩(wěn)定性系數(shù)的仿真結(jié)果分別如圖7～圖9所示。從仿真結(jié)果可以看出，噪聲系數(shù)為0．451 dB，增益為31．824 dB，已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，通帶平坦度小于1．0 dB，輸入端口回波損耗為14．023 dB，輸入駐波比小于1．5，滿足北斗導(dǎo)航接收機(jī)LNA設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語
    針對(duì)射頻接收模塊系統(tǒng)指標(biāo)要求，對(duì)參數(shù)的指標(biāo)進(jìn)行了分析，根據(jù)噪聲系數(shù)、靈敏度、增益等關(guān)鍵指標(biāo)要求，提出一種基于ATF54143的低噪聲放大器設(shè)計(jì)方案，并用ADS軟件進(jìn)行了仿真，得到了仿真數(shù)據(jù)，為后面設(shè)計(jì)、調(diào)試硬件電路板提供了理論依據(jù)。