北斗/GPS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器仿真設(shè)計(jì)

王永慧，吳湘蓮，樓 平，秦國棟

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314036）

北斗/GPS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器仿真設(shè)計(jì)

王永慧，吳湘蓮，樓 平，秦國棟

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314036）

文章設(shè)計(jì)了一款可以兼容北斗、GPS的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器。該信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器采用集總參數(shù)的匹配方式，選用英飛凌公司的BFP740ESD芯片，用ADS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了在1.555～1.58 GHz的頻帶內(nèi)，增益在40 dB以上，輸入輸出反射系數(shù)小于-17 dB的兩級小信號(hào)高增益放大器的設(shè)計(jì)。

信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器；LDO；射頻；匹配

GPS/北斗信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器應(yīng)用在展廳（室內(nèi)）內(nèi)，如果在室內(nèi)不加任何措施的情況下，幾乎不能檢測到的GPS和北斗信號(hào)，信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器就是在室內(nèi)需要GPS或者北斗信號(hào)時(shí)，通過室外的天線接收到信號(hào)，主機(jī)的電路再進(jìn)行放大，再通過天線發(fā)射出去，使室內(nèi)的接收終端在封閉的室內(nèi)也能順利進(jìn)行定位等。

GPS和北斗的頻段很接近（BD2:B1：1 561.098±2.046 MHz；GPS:L1：1 575.42±1.023 MHz），兩者相隔的帶寬不到20 MHz，所以完全可以做成一個(gè)能夠接收發(fā)射這兩個(gè)頻段的轉(zhuǎn)發(fā)器。這樣的話，市場需求更加廣泛，所以在放大器器件選型時(shí)，要至少覆蓋北斗的最低頻率1 559 MHz和GPS的最高頻率1 577 MHz，考慮到以上綜合因素，本項(xiàng)目設(shè)定的工作頻段為：1 555～1 580 MHz。

另外，在主要工作模塊和室外接收天線的電纜有30多米，按照1 dB/米的衰減來算，再加上發(fā)射天線以及不可預(yù)見的損耗，所以，主要放大電路的工作模塊設(shè)計(jì)的放大倍數(shù)要在40 dB左右。

1 工作原理

信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器模塊主要包括LDO電源芯片、各級的射頻放大芯片以及匹配電路、接收天線、發(fā)射天線等。

信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器的工作原理如下：接收天線接收信號(hào)，模塊的放大電路則通過兩級放大器的放大作用把接收到的信號(hào)進(jìn)行放大，然后通過發(fā)射天線把放大的信號(hào)發(fā)送出去。鑒于接收天線使用蘑菇頭天線，所以本設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容為兩級射頻放大電路的設(shè)計(jì)工作。每一級放大電路都包括放大器芯片和相對應(yīng)的匹配電路，選擇合適的低噪聲放大器和輸出級芯片構(gòu)建射頻放大電路模塊是非常關(guān)鍵的，具體的放大器芯片的選擇方法將在下文進(jìn)行描述。

2 主要芯片分析與選擇

在芯片的選擇上，需要對性能和成本的綜合考慮，通過查找，發(fā)現(xiàn)英飛凌公司的BFP740ESD低噪聲放大器是芯片高增益、高線性度、低噪聲的放大器，可以應(yīng)用的頻率范圍可以達(dá)到10GHz，該芯片使用3V的供電電壓，成本也相對較低，可以作為信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器主要放大模塊的前兩級電路，很好地滿足了該項(xiàng)目的需求。

確定了射頻芯片，再來確定電源芯片。BFP740ESD是3 V供電的芯片，蘑菇頭天線也需要電路板來供電，且供電電壓是5 V，外面是9～12 V的變化的直流電源，這里的電源芯片使用LDO，它有成本低，噪音低，靜態(tài)電流小的優(yōu)點(diǎn)。本文采用先變壓到5V給蘑菇頭中的有源電路供電，5 V再變壓到3 V的方案，這需要兩顆電源芯片。第一個(gè)電源芯片采用貼片的L7805AC來設(shè)計(jì)，此芯片能實(shí)現(xiàn)9～12 V降壓到5 V功能，而且它的輸出電流可以達(dá)到1 A，而兩級射頻芯片的供電電流的經(jīng)典值的最大值為25 mA×2，蘑菇頭天線的供電電流大約為 20 mA，大于（25×2+20）×2= 140 mA，留有比較大的裕量。第二個(gè)電源芯片采用1112B30MC，它可以實(shí)現(xiàn)5 V變壓到3 V的功能，輸出電流為150 mA，可以滿足兩級射頻芯片工作的要求。

3 射頻電路原理圖設(shè)計(jì)

本電路涉及兩種靜態(tài)工作點(diǎn)，第一級芯片的主要作用是低噪聲，兼顧增益，使用低靜態(tài)工作點(diǎn)的電路；第二級的主要作用是增益的放大，將采用相對較高靜態(tài)工作點(diǎn)的電路。理想的偏置電路的作用是對放大管芯提供直流供電，同時(shí)抑制射頻信號(hào)泄漏到該電路中。實(shí)際情況下，考慮到匹配、諧波噪聲等抑制作用，此時(shí)的偏置電路也可以當(dāng)作匹配電路來使用。

表1 各種芯片的主要射頻特性

在這里，射頻通路包括輸入匹配，輸出匹配以及級間匹配電路組成。在做匹配電路之前，首先確保電路本身在頻帶內(nèi)的穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)在芯片的發(fā)射極加微帶線和電感的串聯(lián)到地的負(fù)反饋，以及集電極加入電阻元器件來增強(qiáng)電路的穩(wěn)定性。下面分別介紹這幾種電路的設(shè)計(jì)流程。

3.1 輸入匹配電路設(shè)計(jì)

作為一個(gè)信號(hào)接收器，需要最小的噪聲系數(shù)，根據(jù)噪聲系數(shù)公式來看，第一級的噪聲系數(shù)和增益對整個(gè)系統(tǒng)的噪聲有很大影響，所以第一級的輸入匹配電路首先要考慮噪聲系數(shù)與輸入駐波比之間的性能平衡，對本設(shè)計(jì)來說，轉(zhuǎn)發(fā)器的前端天線部分已經(jīng)有低噪聲放大器來保證最小的噪聲系數(shù)，所以本次設(shè)計(jì)的第一級放大電路在保證正常性能的基礎(chǔ)上盡量得到最小的噪聲系數(shù)。

3.2 級間匹配電路設(shè)計(jì)

級間匹配電路的目的是實(shí)現(xiàn)最大的增益作用，主要對前級電路的輸出匹配和后級電路的輸入匹配的簡化，在完整的電路發(fā)生不穩(wěn)定或者潛在不穩(wěn)定的情況時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)級間匹配電路來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化的目標(biāo)。

3.3 輸出匹配電路設(shè)計(jì)

一般放大器的輸出匹配是為了實(shí)現(xiàn)最大功率的輸出，前面的匹配電路是為了實(shí)現(xiàn)最大增益。這種情況下，末級的放大器一般選擇功率容量大的管芯。輸出匹配電路設(shè)計(jì)合理的話，就可以把末級的功放的功率容量完全得到發(fā)揮。

在本設(shè)計(jì)中，信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器接收到的信號(hào)一般都在-150 dBm左右，經(jīng)過放大電路的放大作用，其輸出信號(hào)的功率也在-110 dBm左右，等效工作在小信號(hào)的情況下。所以在設(shè)計(jì)輸出匹配電路的時(shí)候不需要考慮功率匹配，只需要進(jìn)行阻抗的共軛匹配的方法來實(shí)現(xiàn)最大增益的傳輸。

3.4 總體原理圖的設(shè)計(jì)思路與優(yōu)化

圖1是BFP740ESD芯片的兩級電路集總參數(shù)匹配原理圖（板材為FR4）。圖中器件的發(fā)射極端的微帶線充當(dāng)了元器件的焊盤，但是這個(gè)焊盤和到地的通孔對射頻電路等效為寄生電感，起負(fù)反饋?zhàn)饔茫豢珊雎?。射頻通路中的電容元件既充當(dāng)了隔直通交的作用，也起到了很好的匹配效果；電阻的作用是穩(wěn)定整個(gè)電路，使其正常工作。通過調(diào)諧和優(yōu)化，電路仿真結(jié)果將會(huì)和版圖仿真結(jié)果一起對比。

4 Layout的布局

利用優(yōu)化好的原理圖，在ADS軟件里生成版圖，再通過手動(dòng)布局，在相應(yīng)裝貼元器件和芯片的地方預(yù)留焊接的空間，布線周圍大面積鋪地，盡量避免微帶線之間的相互串?dāng)_，并在裝貼元件處加port，以便在以后的原理圖-版圖聯(lián)合仿真中連接元器件。在版圖的仿真過程中，電容電感用生產(chǎn)廠家的模型來提供，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)優(yōu)化，最終確定版圖的布局，如圖2所示。

圖1 信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器的集總參數(shù)匹配電路原理

由圖3可以看出，版圖和原理圖仿真結(jié)果相近且曲線變化方式相似，只是稍微有些惡化，惡化的原因是Layout的仿真考慮到了微帶線之間、微帶線與器件之間的不連續(xù)性的結(jié)果，這個(gè)是原理圖所沒有考慮到的。不過，這些曲線的變化趨勢是一致的。最終的版圖仿真結(jié)果為：增益可以達(dá)到41.4 dB, 輸入輸出反射系數(shù)分別在-17.6 dB和-28.2 dB。原理圖仿真結(jié)果為：在絕對穩(wěn)定的情況下，該電路在工作頻帶內(nèi)達(dá)到了42 dB的增益，輸入輸出駐波也都在-20 dB以下，本設(shè)計(jì)通過平衡輸入反射和噪聲，噪聲系數(shù)在0.77左右。這是一個(gè)非常理想的結(jié)果。同樣也說明了原理圖的仿真結(jié)果對版圖的仿真具有很大的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)語

根據(jù)實(shí)際需求，通過芯片的選型，設(shè)計(jì)了集總參數(shù)匹配的匹配方式，并利用射頻仿真軟件ADS，分別對其進(jìn)行了原理圖和Layout兩種結(jié)構(gòu)的仿真。兩種仿真結(jié)果較為一致，最后得到了增益為41.4 dB，輸入反射系數(shù)為-17.6 dB，輸入反射系數(shù)為-28.8 dB，最終仿真結(jié)果符合預(yù)期需求。

圖2 信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器的集總參數(shù)匹配電路版

圖3 信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器的集總參數(shù)匹配版圖與原理圖仿真結(jié)果比較

[1]黃玉蘭.基于ADS的射頻低噪聲放大器設(shè)計(jì)與仿真[J]．西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（3）：26-29．

[2]尹川.基于ADS1.5GHz射頻放大器的設(shè)計(jì)與分析[J]．南陽理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（2）：56-60．

[3]楊晶晶.一種前級功放的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016（9）：164．

Beidou/GPS signal transformer design

Wang Yonghui, Wu Xianglian, Lou Ping, Qin Guodong
（Jiaxing Vocational Technical College, Jiaxing 314036, China）

A signal transformer used for BeiDou and GPS is presented in this paper. This transformer with detached devices and micostrip matching networks used Infneon BFP740ESD chip is showed. This simulated with Agilent ADS software. It reached a gain above 40 dB from 1.555 to 1.58 GHz band with insertion loss less than -17 dB.

signal transformer; LDO; radio frequency; match

浙江省教育廳科研項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：基于GPRS_北斗的電動(dòng)車防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究；項(xiàng)目編號(hào)：Y201533868。

王永慧（1987— ），女，山西大同，碩士，助教；研究方向：電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)。