北斗/GPS信號轉(zhuǎn)發(fā)器的分布參數(shù)設(shè)計

張紅宇，王永慧，吳湘蓮（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江嘉興，314036）

北斗/GPS信號轉(zhuǎn)發(fā)器的分布參數(shù)設(shè)計

張紅宇，王永慧，吳湘蓮
（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江嘉興，314036）

本文設(shè)計了一款可以兼容北斗、GPS的信號轉(zhuǎn)發(fā)電路設(shè)計。該電路選用英飛凌公司的BFP740ESD芯片，通過ADS軟件進(jìn)行仿真、設(shè)計了一款分布參數(shù)匹配方式的兩級放大電路，實現(xiàn)了在1.555GHz-1.58GHz的頻帶內(nèi)，該信號轉(zhuǎn)發(fā)器的噪聲系數(shù)為0.82dB，增益為41.4dB，輸入輸出反射系數(shù)小于-13dB。

信號轉(zhuǎn)發(fā)器；噪聲系數(shù)；射頻

0 引言

如今越來越多的北斗、GPS接收機嵌入到消費類產(chǎn)品中，北斗、GPS信號轉(zhuǎn)發(fā)器就是其中一種。在封閉的環(huán)境內(nèi)需要GPS或者北斗信號時，信號轉(zhuǎn)發(fā)器可以通過室外的天線進(jìn)行實時通信，把信號引到室內(nèi)，接收終端才能順利地實現(xiàn)定位等功能。

GPS和北斗的工作頻段很接近（BD2 B1：1561.098±2.046 MHz；GPS L1：1575.42±1.023MHz），所以一個夠接同時收發(fā)射北斗、GPS的信號轉(zhuǎn)發(fā)器成為可能。這樣的轉(zhuǎn)發(fā)器應(yīng)用市場會更加廣泛。綜合以上考慮，本文設(shè)計的信號轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計成1555-1580MHz的工作頻段。

1 信號轉(zhuǎn)發(fā)器的噪聲系數(shù)分析

噪聲系數(shù)是信號轉(zhuǎn)發(fā)器最需要關(guān)注的參數(shù)，由于天線接收到的北斗、GPS無線信號的功率已經(jīng)非常弱，所以對放大器的噪聲系數(shù)有著非常高的要求。在通信系統(tǒng)設(shè)計中，可以分為放大電路的噪聲系數(shù)NF（Noise Figure）和噪聲因數(shù) F（Noise Factor）[3]。噪聲因數(shù)的定義為放大器輸入功率信噪比與輸出功率信噪比之比，公式如下：

公式（3）為 n 級放大器的噪聲系數(shù)，nG為第 n 級放大器的增益。由此可見第一級放大電路的噪聲對整個放大電路噪聲起決定性的作用，所以該級放大電路必須達(dá)到頻帶內(nèi)最小的噪聲系數(shù)。級聯(lián)電路的噪聲性能要求第一級電路本身有較低的噪聲系數(shù)并且有相當(dāng)?shù)脑鲆?，第二級電路的作用會由于第一級的增益而削弱，可以考慮設(shè)計成為高增益的放大電路。這樣，電路的綜合性能就會達(dá)到最佳的設(shè)計。

圖1 信號轉(zhuǎn)發(fā)器的分布參數(shù)匹配電路原理圖

2 射頻電路原理圖設(shè)計

經(jīng)過射頻芯片的分析和選擇，本文選取英飛凌的BFP740ESD芯片，該芯片在2.4GHz的噪聲系數(shù)低至0.65dB且增益達(dá)到25.5dB。本電路采用兩種靜態(tài)工作點的設(shè)計方式，第一級電路使用低靜態(tài)工作點的電路，其主要作用是低噪聲，兼顧增益；第二級電路考慮到對噪聲系數(shù)貢獻(xiàn)很小，且需要高增益的特性，采用相對較高靜態(tài)工作點的電路。

圖1是BFP740ESD芯片的兩級電路分布參數(shù)匹配原理圖（仿真的PCB板為FR4）。圖中芯片的接地端的焊盤影響不可忽略，該焊盤需要盡量多加接地孔，降低等效電感帶來的負(fù)反饋的影響。通過電路的調(diào)諧和優(yōu)化，其仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 信號轉(zhuǎn)發(fā)器的分布參數(shù)匹配版圖仿真結(jié)果

原理圖仿真結(jié)果為：在絕對穩(wěn)定時，該電路在工作頻帶內(nèi)的噪聲系數(shù)為0.72dB，增益為41.2dB，輸入輸出駐波也都在-18dB以下。

3 射頻電路版圖設(shè)計

利用ADS軟件，將設(shè)計完成的原理圖自動生成版圖，再通過手動優(yōu)化布線，在相應(yīng)裝貼元器件和芯片的地方預(yù)留焊接的空間。在版圖的仿真過程中，仿真用的電容電感參數(shù)使用生產(chǎn)廠家的模型。通過反復(fù)的手動調(diào)節(jié)，最終確定版圖如圖3所示，版圖仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 信號轉(zhuǎn)發(fā)器的分布參數(shù)匹配電路版圖

由圖4可以看出，版圖和原理圖仿真結(jié)果曲線有著相似的變化趨勢，版圖的仿真結(jié)果稍有惡化，輸出駐波還出現(xiàn)不連續(xù)的諧振點。出現(xiàn)惡化和諧振點的原因可能是版圖的仿真時，微帶線之間、微帶線與器件之間的不連續(xù)性帶來的。最終的版圖仿真結(jié)果為：噪聲系數(shù)在0.82左右，增益可以達(dá)到41.4dB, 輸入輸出反射系數(shù)在-13dB以下。本設(shè)計通過平衡輸入反射和噪聲。這是一個較為理想的結(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。

圖4 信號轉(zhuǎn)發(fā)器的分布參數(shù)匹配版圖仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

本文介紹了分布參數(shù)匹配的信號轉(zhuǎn)發(fā)電路設(shè)計，利用射頻仿真軟件ADS，分別對其進(jìn)行了原理圖和版圖兩種類型的仿真，最后得到的噪聲系數(shù)為0.82dB，增益為41.4dB，輸入輸出反射系數(shù)約為-13dB，最終仿真結(jié)果符合預(yù)期需求。

[1] 費威.GPS /北斗雙模導(dǎo)航接收機捕獲器硬件設(shè)計與優(yōu)化[J].信息技術(shù)，2013,6：4-7.

[2] 左玉多.一款低噪聲衛(wèi)星導(dǎo)航接收機射頻前端的設(shè)計[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2015，40（8）：575-579．

[3] 劉長軍．射頻通信電路設(shè)計.北京：科學(xué)出版社，2005：281-459．

BeiDou/GPS signal transformer design using Distributed topology

Zhang Hongyu, Wang Yonghui, Wu Xianglian
（Jiaxing Vocational Technical College，Jiaxing Zhejiang,314036）

A signal transformer used for both BeiDou and GPS is presented This transformer used Infineon BFP740ESD chip with mico-strip matching networks is showed The 2 stage circuit is simulated with Agilent ADS software. It reached a 0.82dB Noise Figure, 41.4dB gain and less than -13dB insertion loss from 1.555 to 1 58GHz band

Signal Transformer；Noise Figure；Radio Frequency

張紅宇（1967-），男，浙江嘉興人，副教授，研究方向：電子智能控制。

浙江省科技廳公益技術(shù)研究工業(yè)項目，名稱：18mm*18mm北斗兼容GPS雙模衛(wèi)星定位接收器研制，編號：2015C31132。