基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的低噪聲放大器設(shè)計(jì)

陳 莽 張 更

北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所 ，北京 100076

1 概述

低噪聲微波放大器(LNA)已廣泛應(yīng)用于微波通信、GPS接收機(jī)、遙感遙控、雷達(dá)、電子對(duì)抗及各種高精度的微波測(cè)量系統(tǒng)中，是必不可少的重要電路。低噪聲放大器位于射頻接收系統(tǒng)的前端，其主要功能是將來(lái)自天線的低電壓信號(hào)進(jìn)行小信號(hào)放大。前級(jí)放大器的噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)微波系統(tǒng)的噪聲影響最大，它的增益將決定對(duì)后級(jí)電路的噪聲抑制程度。應(yīng)用于導(dǎo)航接收系統(tǒng)中的LNA，要求噪聲低、可靠性高，考慮到復(fù)雜的電磁環(huán)境，要對(duì)大功率的S波段遙測(cè)信號(hào)進(jìn)行干擾抑制。

2 設(shè)計(jì)基本思路

2.1 低噪聲放大器的理論

LNA的性能指標(biāo)主要是噪聲系數(shù)、增益、工作頻帶及電壓駐波比等,尤其是噪聲系數(shù)和增益對(duì)整機(jī)性能影響較大。要實(shí)現(xiàn)理想功率傳輸,必須使負(fù)載阻抗與源阻抗相匹配,這就需要插入匹配網(wǎng)絡(luò)。放大管存在最佳源阻抗Zsopt,LNA的輸入端應(yīng)按Zsopt進(jìn)行匹配,此時(shí)放大器的噪聲系數(shù)為最小,稱(chēng)為最佳噪聲匹配。而為了獲得較高的功率增益和較好的輸出駐波比,輸出端采用輸出共軛匹配。如果增益不夠,需采用多級(jí)放大電路。

噪聲系數(shù)F為輸入信噪比比輸出信噪比。信號(hào)通過(guò)放大器后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變壞，信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。

Si，So，Ni和No分別為放大器輸入和輸出的信號(hào)功率和噪聲功率；G為放大器增益。一個(gè)具有增益G1,G2，…，Gn和噪聲系數(shù)為F1,F2，…，F(xiàn)n的n級(jí)串接級(jí)聯(lián)的放大器的噪聲系數(shù)為:

F為放大器整機(jī)的噪聲系數(shù)，F(xiàn)n為放大器第n級(jí)的噪聲系數(shù)，Gn-1為放大器第n-1級(jí)的增益，K為放大器后續(xù)級(jí)的噪聲系數(shù)與噪聲因子的關(guān)系式?？梢钥闯黾?jí)聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)主要由第一級(jí)的噪聲系數(shù)決定，為了獲得盡可能低的噪聲系數(shù)，第一級(jí)放大器必須實(shí)現(xiàn)最佳噪聲輸入匹配電路設(shè)計(jì)。

2.2 放大器的設(shè)計(jì)思路

LNA的綜合設(shè)計(jì)包括如下幾個(gè)方面:電路形式的選擇、器件的選擇、匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和偏置電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

由于增益較高，本文設(shè)計(jì)的LNA由兩級(jí)放大電路組成。根據(jù)對(duì)遙測(cè)信號(hào)的陷波要求，在導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)入放大芯片前，采取遙測(cè)信號(hào)陷波技術(shù)，對(duì)遙測(cè)信號(hào)進(jìn)行抑制，防止功率大的遙測(cè)信號(hào)阻塞放大電路。輸入匹配電路，利用斯密斯圓圖進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)匹配電路是采用集總參數(shù)元件實(shí)現(xiàn)，在獲得低噪聲的前提下，很容易獲得純50Ω 的電阻性阻抗電路和優(yōu)異的駐波比。電源采用5V 直流電壓供電。放大器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 放大器的結(jié)構(gòu)框圖

3 低噪聲放大器設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

本LNA應(yīng)用于某衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，主要指標(biāo)為:

工作頻率：1550～1609MHz;

噪聲系數(shù)NF≤1.5dB;

增益 :32dB～36dB；

S波段陷波抑制：≥20dB。

3.2 S波段陷波電路

S波段遙測(cè)陷波采用電感和電容組合形成低通陷波器，由于對(duì)遙測(cè)信號(hào)的抑制要大于20dB，在放大芯片前端采用兩階低通陷波設(shè)計(jì)，對(duì)遙測(cè)信號(hào)進(jìn)行陷波。其遙測(cè)信號(hào)低通陷波原理圖如圖3所示。

圖2 遙測(cè)信號(hào)低通陷波原理圖

3.3 放大器電路

前級(jí)放大器相對(duì)注重噪聲性能,輸入端針對(duì)最佳噪聲系數(shù)要求設(shè)計(jì)匹配電路,不要求增益太高。后級(jí)放大器則相對(duì)注重增益性能,適當(dāng)降低對(duì)噪聲系數(shù)的要求。即輸出端口和級(jí)間針對(duì)增益最大和平坦度進(jìn)行匹配電路設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)時(shí)，放大電路一級(jí)放大芯片選擇HMC618LP3，其放大增益為21dB，噪聲系數(shù)為0.8dB；二級(jí)放大芯片選擇SGA3563，其放大增益為23dB，噪聲系數(shù)為2.5dB。低噪聲放大器HMC618-LP3設(shè)計(jì)為工作電壓3.3V。設(shè)計(jì)噪聲系數(shù)F為1.2dB，放大器增益34dB。

低噪聲放大器原理如圖3所示。

4 實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

根據(jù)以上設(shè)計(jì)分析，原材料選用美國(guó)Rogers公司雙面覆銅介質(zhì)基板Rogers4350，介電常數(shù)：3.38；厚度：0.5mm，進(jìn)行了硬件的加工并測(cè)試。LNA的PCB板如圖4所示。

S波段遙測(cè)信號(hào)的陷波實(shí)測(cè)曲線如圖5所示，增益測(cè)試曲線如圖6所示。

圖3 低噪聲放大器原理圖

圖4 LNA的PCB板

圖5 遙測(cè)信號(hào)的陷波測(cè)試曲線

圖6 增益測(cè)試曲線

根據(jù)圖5可以得出，陷波衰減能達(dá)到25dB以上，陷波損耗約為0.3dB。根據(jù)圖6可以得出，放大器的增益33.4dB,通過(guò)遙測(cè)信號(hào)的陷波設(shè)計(jì)，使得放大器在遙測(cè)工作頻帶處的增益迅速下降,放大器的增益曲線顯示放大器有“濾波放大”的作用，對(duì)遙測(cè)信號(hào)抑制能達(dá)到25dB以上。經(jīng)噪聲儀測(cè)試，其噪聲系數(shù)為1.2dB。通過(guò)以上測(cè)試分析顯示實(shí)際測(cè)試值與設(shè)計(jì)指標(biāo)要求一致，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)L波段低噪聲放大器的指標(biāo)要求，選擇合適的電路拓?fù)?、元器件和板材，通過(guò)對(duì)遙測(cè)信號(hào)的陷波設(shè)計(jì)，采用封閉盒體結(jié)構(gòu)等方法，在設(shè)計(jì)上提高放大器的環(huán)境適應(yīng)能力和系統(tǒng)抗干擾特性。最終通過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了該方案的可行性,測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果吻合較好。這里的創(chuàng)新點(diǎn)是采用遙測(cè)信號(hào)陷波技術(shù)，L波段低噪聲放大器具有增益高、噪聲系數(shù)小及對(duì)S波段信號(hào)抑制等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于微波通信、衛(wèi)星導(dǎo)航通信等各種電子設(shè)備中。

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