北斗+GPS高性能低噪聲放大器的研究與設(shè)計(jì)

馬 杰,王麗黎

(1.華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院,廣州 510641;2.西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,西安 710048)

北斗+GPS高性能低噪聲放大器的研究與設(shè)計(jì)

馬 杰1,王麗黎2*

(1.華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院,廣州 510641;2.西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,西安 710048)

針對(duì)國(guó)內(nèi)北斗行業(yè)的發(fā)展和雙模定位的優(yōu)點(diǎn)以及北斗B1頻段和GPS相近的特點(diǎn),給出了一種適用于北斗B1頻段和GPS L1頻段的低噪聲放大器的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法,并制作出實(shí)物,給出了測(cè)試結(jié)果。為了達(dá)到更好的增益,采用了3級(jí)級(jí)聯(lián)的方式。設(shè)計(jì)出的低噪聲放大器的在B1和L1頻段內(nèi)的增益(38±0.5)dB,輸入駐波系數(shù)小于1.8,輸出駐波系數(shù)小于1.2,噪聲系數(shù)小于0.65 dB,在全頻段內(nèi)無(wú)條件穩(wěn)定,可用于北斗B1頻段和GPS L1頻段。

低噪聲放大器;北斗;GPS;噪聲系數(shù);級(jí)聯(lián)

雙模定位可以充分利用兩套衛(wèi)星定位系統(tǒng)的長(zhǎng)處和衛(wèi)星資源,精度和可靠性更強(qiáng)[1]。本設(shè)計(jì)適用于北斗和GPS的低噪聲放大器將真正實(shí)現(xiàn)雙頻低噪聲放大,對(duì)于雙星定位至關(guān)重要。低噪聲放大器常用于接收系統(tǒng)的前端,其性能的好壞直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的性能[2]。對(duì)于工程中如果需要低噪聲的增益比較大,那么就需要多級(jí)放大器級(jí)聯(lián),多個(gè)放大器級(jí)聯(lián)的噪聲系數(shù)為:

(1)

式中:Nf表示總共的噪聲系數(shù),Ni表示第i級(jí)的噪聲系數(shù),Gi表示第i級(jí)的增益[3]。從式(1)中可以看出對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)影響比較大的是第1級(jí)的噪聲系數(shù)[4],因此本文的重點(diǎn)設(shè)計(jì)在第1級(jí),選擇的是安華高公司的一種低噪聲元器件ATF34143,因考慮到整體尺寸的要求,因此第2級(jí)和第3極采用RFMD公司的SPF5043z。本文中設(shè)計(jì)的LNA的中心頻率為1 568 MHz,帶寬為20 MHz,適用于北斗一號(hào)的B1頻段(B1中心頻率:1 561.098,帶寬4 MHz)和GPS的L1頻段(L1中心頻率:1 575.42,帶寬:2 MHz)。

1 技術(shù)指標(biāo)

低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)如下:工作頻率為1 558 MHz～1 578 MHz,中心頻率為1 568 MHz,要求全頻帶穩(wěn)定;增益大于37 dB,平坦度小于0.5 dB;噪聲系數(shù)<0.65 dB,輸入駐波比<1.8,輸出駐波比<1.2;介電常數(shù)Er=2.65,板材厚度為0.8 mm;外形尺寸大小20 mm×40 mm。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和芯片的選擇

設(shè)計(jì)中對(duì)整體的結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。圖1中第1級(jí)采用的是安華高公司的低噪聲的元器件ATF34143,可以通過(guò)Advanced Design System(ADS)對(duì)其進(jìn)行偏置電路的設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析以及輸入輸出的匹配,第2級(jí)和第3極選擇了RFMD公司的SPF5043z(是一種集成的低噪聲放大器模塊,不需要額外的匹配電路),這樣就大大節(jié)省了電路的尺寸和空間,縮小了尺寸,降低了匹配的靈敏度[5-7]。設(shè)計(jì)的第2級(jí)和第3級(jí)之間加入了帶通濾波器。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 低噪聲放大器電路的設(shè)計(jì)和匹配

第1級(jí)選用了一種低噪聲元器件ATF34143,根據(jù)芯片的特點(diǎn),我們選定了其在3 V、20 mA的工作狀態(tài)的s2p文件,和TRL校準(zhǔn)提取的S參數(shù)比對(duì)以后進(jìn)行了穩(wěn)定性分析以及輸入輸出端的匹配[8-10],在ADS中導(dǎo)入S2P文件以后對(duì)電路做穩(wěn)定性分析,穩(wěn)定性要滿(mǎn)足的3個(gè)條件:

(2)

|S22|2<1-|S12S21|

(3)

|S22|2<1-|S12S21|

(4)

K稱(chēng)為穩(wěn)定判別系數(shù),K>1是穩(wěn)定狀態(tài)。只有當(dāng)3個(gè)條件都滿(mǎn)足時(shí)看,才能保證放大器是絕對(duì)穩(wěn)定的[11-12]。一般采取穩(wěn)定性的措施有:(1)引入負(fù)反饋,(2)在管子的輸入或者輸出端口串并聯(lián)電阻。這兩種方法都有效,但是一般在設(shè)計(jì)中往往采取多種相組合的方式來(lái)做穩(wěn)定。圖2是已經(jīng)做好穩(wěn)定性的電路,在其輸入端口并聯(lián)了50 Ω的電阻,輸出端口串聯(lián)了一個(gè)22 Ω和并聯(lián)了一個(gè)500 Ω的電阻,并加入了負(fù)反饋。圖3為穩(wěn)定性曲線(xiàn),可以看到在0～11 GHz上大于1,都是穩(wěn)定的,確保了芯片工作在穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 穩(wěn)定性分析電路

圖3 0～11 GHz全頻帶穩(wěn)定性曲線(xiàn)圖

我們?cè)谠O(shè)計(jì)低噪聲放大器的時(shí)候,既要求得最好的噪聲系數(shù),又要求得最大的增益[13]。因此在我們調(diào)節(jié)整個(gè)電路的穩(wěn)定性的時(shí)候,就要考慮到最好增益和最佳噪聲系數(shù)之間的關(guān)系,如圖4為等增益圓和等噪聲系數(shù)的smith圓圖[14]。

最佳噪聲和增益點(diǎn)的匹配,是低噪聲放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,GammaS是源反射系數(shù)的最佳值,是從分立元件向源看去的。

圖4 等增益和等噪聲系數(shù)圓的smith圓圖

圖4中兩個(gè)圓圈,藍(lán)色代表增益圓,步進(jìn)為1 dB,藍(lán)色圓點(diǎn)代表著最佳增益點(diǎn),暗色的為噪聲圓,其步進(jìn)為0.2 dB,其圓心代表著最佳的噪聲點(diǎn)。根據(jù)Hau’s的理論[15-16],為了獲得較好的噪聲系數(shù)和較好的增益,在設(shè)計(jì)的過(guò)程中盡量使S11和GammaS相接近,圖4中m8為BD+GSP的中心頻率1 568 MHz的S11所在的點(diǎn)。調(diào)整好最佳的源反射系數(shù)以后,我們就要對(duì)其進(jìn)行輸入輸出匹配,匹配的電路如圖5所示。仿真的結(jié)果如圖6、圖7所示。

第2級(jí)和第3極采用的是RFMD公司的SPF5043z,是一種理論上不需要匹配的集成的低噪聲放大器模塊,但是實(shí)際中可能需要調(diào)整,這對(duì)于整體的電路設(shè)計(jì)尺寸來(lái)說(shuō)減少了后兩級(jí)的匹配網(wǎng)絡(luò),大大節(jié)省了空間,縮小了整體的尺寸,這對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)意義重大。SPF5043z的電路如圖8所示。

圖5 第1級(jí)匹配好的原理圖

圖6 第1級(jí)仿真的S參數(shù)、噪聲系數(shù)以及穩(wěn)定性曲線(xiàn)

圖7 第1級(jí)反射系數(shù)的smith圓圖

4 設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果

焊接以后的3級(jí)BD+GPS低噪聲放大器的實(shí)物效果如圖9所示。

圖9 低噪聲放大器的實(shí)物效果圖

低噪聲放大器的測(cè)量,測(cè)量?jī)?nèi)容主要為S參數(shù)和噪聲系數(shù),S參數(shù)的測(cè)量采用Agilent的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,測(cè)量的結(jié)果如圖10所示,圖10中中心頻率為1 568 MHz,Span=200 MHz,包含S11、S21、S12、S22以及輸入輸出端的smith圓圖,輸入端口的回波損耗>13 dB,換算以后的輸入端口的駐波系數(shù)<1.8,輸出端口的回波損耗>20 dB,換算以后的輸出端口的回波損耗<1.2,增益以及平坦度為(38±0.5)dB,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。噪聲系數(shù)的測(cè)量采用Agilent噪聲分析儀測(cè)試,連接示意圖如圖11所示,由于低噪聲放大器的增益比較大,為保護(hù)噪聲系數(shù)分析儀,在低噪聲放大器的輸出端口加入了20 dB左右的衰減器,確保其在安全的范圍內(nèi)。最終測(cè)定的噪聲系數(shù)如圖12所示,噪聲系數(shù)在通帶內(nèi)<0.65,比較理想,能夠滿(mǎn)足較多工程的應(yīng)用要求。

圖12 噪聲分析儀測(cè)得的噪聲系數(shù)

圖10 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得的S參數(shù)

圖11 噪聲系數(shù)測(cè)量連接圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)出的BD+GPS低噪聲放大器的性能參數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,性能參數(shù)比較理想,其較低的噪聲系數(shù)和較高的增益以及平坦度,可以應(yīng)用在信號(hào)的接收、轉(zhuǎn)發(fā)器、抗干擾等實(shí)際工程應(yīng)用中,具有較好的應(yīng)用前景。

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ResearchandDesignofBD+GPSHighPerformanceLowNoiseAmplifier

MAJie1,WANGLili2*

(1.School of Physics and Optoelectronics,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China;2.Department of Automation and Information Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China)

Aiming at the development of the BD,considering about advantages of dual-mode positioning and similarity of the BD’s B1 band and GPS’s L1 band,a design principle and its working method of a low-noise amplifier are described which is suitable for the BD’s B1 band and GPS’s L1 band,and a physical object is made,which gives the test result. To achieve better gain,it was used three cascaded manner. Finally,the low-noise amplifier designed has a gain of(38±0.5)dB in B1 band and L1 band,the input VSWR is less than 1.8,the output VSWR is less than 1.2,the noise figure is less than 0.65 dB,unconditional stability in the whole band. It can be used for the Beidou B1 band and GPS L1 band.

low noise amplifier;BD;GPS;noise figure;series connection

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.020

2016-11-15修改日期2017-01-05

TN722.3

A

1005-9490(2017)06-1432-05

馬杰(1995-),男,本科，主要研究方向?yàn)樘炀€(xiàn)與光電信息科學(xué)與工程;

王麗黎(1968-),女,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)與微波技術(shù)、天線(xiàn)理論與技術(shù)。