衛星導航接收機低噪放電路模塊設計

耿卓杉，詹達誨

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

1 研究背景

衛星導航接收機低噪放電路是衛星接收機的主要組成部分，主要包括濾波器和低噪放等，該電路是系統除天線外的射頻最前端，有效地完成射頻前端的設計，可以優化接收機的性能，從而提高衛星導航接收機的靈敏度等指標[1]。隨著市場及產品小型化需求日益強烈，將電路進行模塊化設計是大勢所趨，模塊化設計電路可以有效控制設計成本，減少設計誤差，模塊重復性使用保證了設計方案成熟。本文設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計方案

2.1 低噪放原理圖設計與仿真

本文設計的低噪放電路應用于衛星導航接收機射頻前端，主要應用于北斗二代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計仿真，對系統鏈路進行預仿真，確定系統參數，主要仿真參數包括噪聲系數NF、三階輸出交截點OIP3及鏈路的增益（J）。

噪聲系數是對系統輸入和輸出之間信噪比遞降的一種度量，在系統級聯情況下，各級器件的噪聲系數用Cmp_NF表示，則各級器件的噪聲系數如圖1所示。圖1中使用NF_RefIn_NoImage表示從系統輸入到元器件輸出的噪聲系數NF，任意n級網絡級聯系統噪聲系數NF可以根據式（1）計算。

圖1 各級器件噪聲系數仿真（左）及系統的噪聲系數仿真（右）

式中，為第n級器件噪聲系數； 為第n級增益。

根據上述計算仿真，可以獲得系統的噪聲系數仿真，最終得出系統的噪聲系數為1.77 dB，滿足系統設計要求。如圖1所示。使用OutPGain表示系統鏈路的總增益，即從系統輸入到任意元器件之間所有元器件S21之和。使用OutTOI表示從系統輸入到元器件輸出的OIP3，則一個n級網絡系統的OIP3值可以根據式（2）來計算。

可以得到OutPGain、OutTOI的仿真結果如圖2所示，最終得出系統OIP3值為30 dB，總增益為12.6 dB。其中由于OIP3仿真中前2級為無源網絡，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OIP3仿真結果（左）及系統增益仿真圖（右）

根據鏈路仿真，上述設計的低噪放系統鏈路增益為12.6 dB，OIP3值為30 dB，系統的噪聲系數為1.77 dB，基本滿足衛星接收機射頻前端系統設計需求。根據TQL9092的S參數模型可以完成鏈路理想的S參數仿真。

2.2 低噪放版圖設計與仿真

根據2.1節討論，對低噪放電路的PCB進行布局、布線、疊層、過孔等設計，完成PCB設計后對版圖進行導出導入，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傳輸線，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可以由式（3）表示。

式中，為介質基片的介電常數；d為介質基片的厚度；W為金屬片的寬度[1]。

根據給定的微帶線尺寸，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，包括微帶線、槽線、共面波導和其他拓撲結構。并且提供過孔和空氣橋用來仿真連接各層之間的拓撲結構，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，并將仿真結果生成版圖參數模型，將版圖S參數模型與原理圖器件進行協同仿真，從而完成對電路版圖的完整仿真。

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

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

3 結束語

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