北斗導(dǎo)航接收機(jī)LNA的設(shè)計(jì)與仿真
2012-04-12 00:00:00余之喜蘇凱雄陳俊楊華煒
現(xiàn)代電子技術(shù) 2012年5期
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)0.45 dB，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
中圖分類號(hào)：
TN928-34
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1004-373X(2012)05
-0099
-03
Design and simulation of BeiDou navigation receiver LNA
YU Zhi-xi， SU Kai-xiong， CHEN Jun， YANG Hua-wei
(Institute of Physics and Information Engineering， Fuzhou University， Fuzhou 350002， China)
Abstract：
In order to achieve the development of BeiDou navigation satellite receiver front-end，according to the system's requirements including the gain， noise figure， sensitivity and other key indicators， a LNA design based on ATF54143 is introduced. The design used two-stage structure and source transmission line negative feedback technology， input the best noise match and output conjugate matched design， performed simulation with ADS software to get 32 dB gain， 0.45 dB noise figure and1.5 input VSWR.
Keywords： BeiDou navigation; receiver; RF front-end; LNA
收稿日期：2011-10-24
基金項(xiàng)目：2010年福建省重大專項(xiàng)(2010HZ0004-1)；福州市市校科技合作項(xiàng)目(2011-G-105);福州大學(xué)科技發(fā)展基金(2011-XY-23)
0 引 言
北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)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(guó)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(jiǎn)短報(bào)文通信［1］。
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［2］。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)在大部分時(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［3］-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［4］-100 dBm，所以LNA增益需要大于18 dB，考慮一定的余量，增益設(shè)計(jì)為［5］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-17 dB，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］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2.4 GHz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I(xiàn)D設(shè)計(jì)為40 mA，通過計(jì)算可以得到偏置電阻R1=337 Ω，R2=38 Ω。
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［6］，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［7］。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0.427 dB，增益為15.78 dB。
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(23.65+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15.740 dB。
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)用共軛匹配設(shè)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1 μF，10 nF和10 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。
(下轉(zhuǎn)第104頁)
