應(yīng)用于GPS頻段低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

商鋒　黃榮禮

摘要：闡述了應(yīng)用于GPS的低噪聲放大器（Low Noise Amplifier ，LNA）的設(shè)計(jì)原理，并通過Advanced Design System（ADS）軟件進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)出了低噪聲放大器。放大器第一級采用的是輸入端最小噪聲系數(shù)匹配，輸出端采用的是最大增益匹配，而放大器第二級則采用最佳阻抗匹配法，使增益達(dá)到25±1dB，噪聲系數(shù)小于0.7dB，輸入輸出駐波比小于2dB，各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：GPS；噪聲系數(shù)；增益；駐波比

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）36-0251-03

GPS是全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System）的簡稱。是美國國防部研制的一種為陸海空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)[1]。如今GPS 的應(yīng)用已經(jīng)獲得了充分的發(fā)展，芯片技術(shù)的出現(xiàn) ，使得 GPS 與其他通信工具可結(jié)合設(shè)計(jì) 。應(yīng)用于 GPS 的低噪聲放大器，也陸續(xù)出現(xiàn)了集成芯片。但其較高的市場價(jià)格在一定程度上限制了國內(nèi)關(guān)于GPS射頻技術(shù)方面的發(fā)展。文獻(xiàn)[2]論述了GPS頻段天線的設(shè)計(jì)，本文在ADS仿真環(huán)境下設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)前端的低噪聲放大器。

1 LNA設(shè)計(jì)的基本原理及關(guān)鍵因素

1.1 LNA設(shè)計(jì)的基本原理

LNA的設(shè)計(jì)旨在于為高頻電路提供一個(gè)線性度高、噪聲系數(shù)低的放大電路，為防止放大器產(chǎn)生震蕩，電路穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)也很關(guān)鍵。對放大器噪聲系數(shù)指標(biāo)的影響因素有很多，除了對性能良好的元器件的選用之外，得當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也至關(guān)重要。為了獲得較低的輸出駐波比和良好的增益，輸出端匹配網(wǎng)絡(luò)則采用共扼匹配的方法[3]。設(shè)計(jì)放大器時(shí)盡可能低的噪聲系數(shù)是首要考慮的，其次才考慮增益是否良好。因此，較低的噪聲系數(shù)通過犧牲少許增益來換取是有必要的，兩者之間應(yīng)折中考慮。本文采用兩級放大的方式來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

第一級放大電路按照最小噪聲系數(shù)來選取最佳工作電流，這樣可以使LNA具有更低的噪聲系數(shù)。第二級放大電路應(yīng)根據(jù)最佳增益條件以及最低噪聲系數(shù)來確保足夠的增益。輸入輸出端均采用單枝節(jié)微帶線進(jìn)行匹配 ，級間匹配則采用集總元件。

1.2 LNA設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素

1）放大器的穩(wěn)定性

在所有放大器的設(shè)計(jì)中，對于在不同的源和負(fù)載的情況下，考慮電路的穩(wěn)定性也是至關(guān)重要的。穩(wěn)定性指的是放大器在周圍環(huán)境變化比較大的條件下仍保持正常工作的能力特性。按照放大電路的不同，穩(wěn)定性分為絕對穩(wěn)定和條件穩(wěn)定兩種。放大器在穩(wěn)定的情況下才能夠完成正常的放大功能，因此通常在源極和地之間串聯(lián)電感或者用一段微帶線來代替電感構(gòu)成負(fù)反饋，使放大器在帶寬內(nèi)能夠無條件穩(wěn)定。負(fù)反饋電路不僅能夠在寬頻帶內(nèi)降低輸入、輸出電壓駐波比，而且能夠使增益響應(yīng)更加平坦。對于絕對穩(wěn)定條件的判斷方法，本文使用[K-Δ]法，當(dāng)同時(shí)滿足：[K>1]和[Δ<1]時(shí)，此時(shí)放大電路處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)。判定公式為：

此公式只給出了判定絕對穩(wěn)定的方法，而器件的穩(wěn)定程度并未給出，我們可以采用單參數(shù)（u參數(shù)）來判定器件的穩(wěn)定程度。單參數(shù)判定準(zhǔn)則如下：

若[μ>1]，則有源器件處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)；若[μ<1]，則有源器件處于不穩(wěn)定或者潛在不穩(wěn)定狀態(tài)。[μ]越大，說明穩(wěn)定性越好，因此在射頻放大電路中電路的穩(wěn)定性便可通過選擇高[μ]值的有源器件來改善。

2） 低噪聲系數(shù)的實(shí)現(xiàn)

噪聲系數(shù)反映的是信號通過系統(tǒng)后，由系統(tǒng)內(nèi)部噪聲引起信噪比惡化的程度。通常噪聲系數(shù)用分貝來表示 ，即

[Nf（dB）=10logNf]

噪聲系數(shù)的基本定義是放大器輸入和輸出信噪比的比值。即

[NF=SinNinSoutNout]

對于n級的放大器級聯(lián)電路，噪聲級聯(lián)公式為：

[F=F1+F2-1G1+F3-1G1G2+…+Fi-1G1G2…Gi-1+…]

由噪聲系數(shù)級聯(lián)公式可知，在接收機(jī)中，第一級放大器的噪聲系數(shù)對系統(tǒng)的影響較大，所以系統(tǒng)的噪聲特性是以第一級的特性為主的，而第二級放大器的影響會(huì)因?yàn)榈谝患壏糯笃鞯脑鲆娑鴾p弱。因此，第一級放大器有中等水平的增益和較低的噪聲系數(shù)將會(huì)成為總系統(tǒng)達(dá)到最佳噪聲性能的基本要求。

3）LNA的1dB壓縮點(diǎn)

輸出功率的 1dB壓縮點(diǎn)[4] 是指增益比線性增益下降低于1dB時(shí)的輸出功率的值。 放大器的線性度可以通過1dB壓縮點(diǎn)來反映，放大器在某一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)是線性的，在這個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，輸入功率增加時(shí)，輸出功率隨其線性增加。當(dāng)輸入功率的不斷增大超出這個(gè)動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，輸入功率和輸出功率將不再是線性關(guān)系增加的。

2 LNA的仿真設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：工作頻率：1575MHz，工作帶寬：1575±5MHz ，噪聲系數(shù)：NF < 0.7dB，增益：25±1dB，帶內(nèi)平坦度：±1dB，輸入輸出駐波比：VSWR<2dB。

2.2 仿真及其結(jié)果分析

1）偏置電路設(shè)計(jì)

ATF-54143在源漏極電流為30mA的靜態(tài)工作點(diǎn)下，不僅能滿足1.575GHz頻點(diǎn)上的增益要求，而且可以得到最小的噪聲系數(shù)。由于該晶體管的封裝上有兩個(gè)柵極，故偏置電流Id應(yīng)設(shè)置為60mA，通過計(jì)算得出偏置電阻R1=180Ω，R2=27Ω。

2）穩(wěn)定性分析

本文使放大器達(dá)到穩(wěn)定采用的是在源極加微帶線的方法。并在頻率為1.575GHz時(shí)，放大器的穩(wěn)定性系數(shù)如圖2所示：

3）匹配電路的設(shè)計(jì)

匹配電路的設(shè)計(jì)旨在于讓饋線的特性阻抗在理論上與包括匹配網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的總負(fù)載輸入阻抗相等，從而使信號源到負(fù)載傳輸?shù)墓β蔬_(dá)到最大。因?yàn)樵肼曄禂?shù)是第一級放大電路主要影響因子，所以第一級的輸入端應(yīng)采用最小噪聲匹配，輸出端則采用最大增益進(jìn)行匹配，而第二級放大電路主要影響增益，所以第二級應(yīng)采用最佳阻抗匹配[5_6]，由此可避免輸入輸出的相互影響。最小噪聲系數(shù)和最大增益匹配法，在文獻(xiàn)[7]中詳細(xì)說明。

匹配網(wǎng)絡(luò)的仿真原理圖如圖3所示：

4） LNA的ADS仿真原理圖

因?yàn)樵鲆嬉_(dá)到25dB以上，因此放大器采用兩級級級聯(lián)的方式搭建。由于衰減器有增加穩(wěn)定性，改善射頻電路阻抗匹配的作用，所以在第一、二級之間應(yīng)插入一個(gè) 3dB的[∏]型電阻衰減器[8]，衰減器的輸入和輸出阻抗均設(shè)置為50Ω，這樣一來匹配網(wǎng)絡(luò)的匹配性能是不會(huì)因?yàn)樗p量的改變而受到影響，從而整個(gè)放大器的增益就可以靈活地調(diào)節(jié)。有源衰減電路和無源衰減電路是我們經(jīng)常用到的，本文選擇簡單的無源電阻衰減網(wǎng)絡(luò)。LNA的ADS仿真原理圖如圖4所示：

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一款GPS導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)前端的低噪聲放大器。該設(shè)計(jì)中的低噪聲放大器采用的是兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，為了便于對輸入輸出駐波進(jìn)行靈活調(diào)試，使用分立元件搭建電路。通過用ADS軟件進(jìn)行仿真，同時(shí)對整個(gè)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)論表明 ，該設(shè)計(jì)是完全符合指標(biāo)要求的 。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孔慶亮.GPS和其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能分析及應(yīng)用技術(shù)[C].太原： 中國航海學(xué)會(huì)通信導(dǎo)航專業(yè)委員會(huì)2004學(xué)術(shù)年會(huì)，2004.

[2] 商鋒.用于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的矩形圓極化天線的研究[J]. 西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)， 2008， 13（3） ： 29-32.

[3] 廖成恩. 微波技術(shù)基礎(chǔ)[M] . 西安： 西安電子科技大學(xué)出版社， 2005.

[4] DAVID M P. 微波工程[M].3版.張肇儀，周樂柱，譯.北京： 電子工業(yè)出版社，2008.

[5] 范壽康，盧春蘭，李平輝.微波技術(shù)與微波電路[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：135-200.

[6] 陳邦媛.射頻通信電路[M].北京：科學(xué)出版社，2006：18-37.

[7] 徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：118-120.

[8] Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko著，射頻電路設(shè)計(jì)-理論與應(yīng)用[M]. 王子宇，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2002：119-205.

[9] 秦嶺，商鋒.GPS的低噪聲放大器的設(shè)計(jì)[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（7）.

[10] 余之喜，蘇凱雄，陳俊.現(xiàn)代電子技術(shù)[J].北斗導(dǎo)航接收機(jī)LNA的設(shè)計(jì)與仿真，2012（3）.