衛(wèi)星導(dǎo)航接收機低噪放電路模塊設(shè)計

耿卓杉，詹達誨

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

1 研究背景

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機低噪放電路是衛(wèi)星接收機的主要組成部分，主要包括濾波器和低噪放等，該電路是系統(tǒng)除天線外的射頻最前端，有效地完成射頻前端的設(shè)計，可以優(yōu)化接收機的性能，從而提高衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的靈敏度等指標[1]。隨著市場及產(chǎn)品小型化需求日益強烈，將電路進行模塊化設(shè)計是大勢所趨，模塊化設(shè)計電路可以有效控制設(shè)計成本，減少設(shè)計誤差，模塊重復(fù)性使用保證了設(shè)計方案成熟。本文設(shè)計的射頻低噪放電路主要由兩級濾波器和低噪放芯片，以及π型衰減器構(gòu)成，最終通過仿真確定方案的可行性。

2 低噪聲放大電路模塊設(shè)計方案

2.1 低噪放原理圖設(shè)計與仿真

本文設(shè)計的低噪放電路應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機射頻前端，主要應(yīng)用于北斗二代B3頻點，帶寬為20 MHz，具有噪聲低、增益高、帶外抑制性強的特點[2]。在低噪聲放大鏈路中，第一級濾波器完成信號選擇，第二級低噪放芯片完成信號放大，第三級帶通濾波器對信號進行濾波處理，最后通過衰減器來進行鏈路增益控制。

在器件選用上，介質(zhì)濾波器選用C&Q的CMF43C系列的CMF43C1268C20B，低噪放芯片選用Qorvo的TQL9092，第二級濾波器選用RFM的SF2186E聲表濾波器，衰減器使用π型衰減器來控制鏈路增益。

完成選用器件后，使用ADS仿真軟件完成對鏈路的設(shè)計仿真，對系統(tǒng)鏈路進行預(yù)仿真，確定系統(tǒng)參數(shù)，主要仿真參數(shù)包括噪聲系數(shù)NF、三階輸出交截點OIP3及鏈路的增益（J）。

噪聲系數(shù)是對系統(tǒng)輸入和輸出之間信噪比遞降的一種度量，在系統(tǒng)級聯(lián)情況下，各級器件的噪聲系數(shù)用Cmp_NF表示，則各級器件的噪聲系數(shù)如圖1所示。圖1中使用NF_RefIn_NoImage表示從系統(tǒng)輸入到元器件輸出的噪聲系數(shù)NF，任意n級網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)系統(tǒng)噪聲系數(shù)NF可以根據(jù)式（1）計算。

圖1 各級器件噪聲系數(shù)仿真（左）及系統(tǒng)的噪聲系數(shù)仿真（右）

式中，為第n級器件噪聲系數(shù)； 為第n級增益。

根據(jù)上述計算仿真，可以獲得系統(tǒng)的噪聲系數(shù)仿真，最終得出系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為1.77 dB，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。如圖1所示。使用OutPGain表示系統(tǒng)鏈路的總增益，即從系統(tǒng)輸入到任意元器件之間所有元器件S21之和。使用OutTOI表示從系統(tǒng)輸入到元器件輸出的OIP3，則一個n級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的OIP3值可以根據(jù)式（2）來計算。

可以得到OutPGain、OutTOI的仿真結(jié)果如圖2所示，最終得出系統(tǒng)OIP3值為30 dB，總增益為12.6 dB。其中由于OIP3仿真中前2級為無源網(wǎng)絡(luò)，仿真默認其OIP3值為1000 dB，因此可以定義放大器為第一級輸入計算整個鏈路的OIP3值。

圖2 系統(tǒng)OIP3仿真結(jié)果（左）及系統(tǒng)增益仿真圖（右）

根據(jù)鏈路仿真，上述設(shè)計的低噪放系統(tǒng)鏈路增益為12.6 dB，OIP3值為30 dB，系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為1.77 dB，基本滿足衛(wèi)星接收機射頻前端系統(tǒng)設(shè)計需求。根據(jù)TQL9092的S參數(shù)模型可以完成鏈路理想的S參數(shù)仿真。

2.2 低噪放版圖設(shè)計與仿真

根據(jù)2.1節(jié)討論，對低噪放電路的PCB進行布局、布線、疊層、過孔等設(shè)計，完成PCB設(shè)計后對版圖進行導(dǎo)出導(dǎo)入，使用ADS的Momentum對版圖的各微帶線進行仿真。

微帶線是目前最流行的平面?zhèn)鬏斁€，可以有效地與其他無源和有源微波器件集成，微帶線的有效介電常數(shù)可以由式（3）表示。

式中，為介質(zhì)基片的介電常數(shù)；d為介質(zhì)基片的厚度；W為金屬片的寬度[1]。

根據(jù)給定的微帶線尺寸，各微帶線特征阻抗 可以由式（4）計算。

通過Momentum可以完成版圖的電磁仿真，最終計算出各平面的S參數(shù)，包括微帶線、槽線、共面波導(dǎo)和其他拓撲結(jié)構(gòu)。并且提供過孔和空氣橋用來仿真連接各層之間的拓撲結(jié)構(gòu)，從而達到仿真多處微波印刷電路板、混合多模塊芯片和集成電路。使用Momentum對低噪放電路版圖進行仿真，可以得到各微帶線的S參數(shù)，并將仿真結(jié)果生成版圖參數(shù)模型，將版圖S參數(shù)模型與原理圖器件進行協(xié)同仿真，從而完成對電路版圖的完整仿真。

對版圖的S參數(shù)進行仿真實驗，在仿真過程中，以S參數(shù)作為參考，對版圖設(shè)計進行調(diào)整，最終版圖的設(shè)計引入了1.6 dB的插入損耗，噪聲系數(shù)可以控制在1.8 dB左右。

通過上述分析，可以驗證使用CMF43C1268C20B、TQL9092、SF2186E構(gòu)成的射頻前端低噪放電路可以應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機射頻前端，可有效地控制射頻電路增益，具有良好的噪聲系數(shù)。

3 結(jié)束語

對于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機系統(tǒng)目前面臨著小型化、模塊化等挑戰(zhàn)，本文介紹了一種射頻前端低噪放電路模塊的設(shè)計思路及方案，該方案在B3頻點，S21為11 dB，噪聲系數(shù)可以控制在1.8 dB左右，該方案設(shè)計的低噪放模塊性能良好，可以應(yīng)用于各類衛(wèi)星導(dǎo)航接收機前端。■