北斗导航接收机LNA的设计与仿真

liyf

２０１２年３月１日
第３５卷第５期
现代电子技术
Ｍｏｄｅｒｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
Ｍａｒ．２０１２
Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．５
北斗导航接收机ＬＮＡ的设计与仿真
余之喜，苏凯雄，陈　俊，杨华炜
（福州大学物理与信息工程学院，福建福州　３５０００２）
摘　要：为了实现北斗卫星导航接收机射频前端的研制，根据接收机射频模块系统指标要求，包括增益、噪声系数、灵敏
度等关键指标要求，提出一种基于ＡＴＦ５４１４３的ＬＮＡ设计方案，采用两级结构，源极传输线负反馈稳定技术，实现输入最佳噪声匹配，输出共轭匹配设计，并用ＡＤＳ软件进行仿真，得到增益３２ｄＢ，噪声系数０．４５ｄＢ，输入驻波比１．５。
关键词：北斗导航；接收机；射频前端；低噪声放大器
中图分类号：ＴＮ９２８－３４　　　　　文献标识码：Ａ　　　　　文章编号：１００４－３７３Ｘ（２０１２）０５－００９９－０３
Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＢｅｉＤｏｕ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ＬＮＡ
ＹＵ　Ｚｈｉ－ｘｉ，ＳＵ　Ｋａｉ－ｘｉｏｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｊｕｎ，ＹＡＮＧ　Ｈｕａ－ｗｅｉ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｆｕｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ　３５０００２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ＢｅｉＤｏｕ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ｆｒｏｎｔ－ｅｎｄ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ＇ｓ
ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｇａｉｎ，ｎｏｉｓｅ　ｆｉｇｕｒｅ，ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｋｅｙ　ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ，ａ　ＬＮＡ　ｄｅｓｉｇｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＴＦ５４１４３ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．
Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｕｓｅｄ　ｔｗｏ－ｓｔａｇｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｕｒｃｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｎｐｕｔ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｎｏｉｓｅ
ｍａｔｃｈ　ａｎｄ　ｏｕｔｐｕｔ　ｃｏｎｊｕｇａｔｅ　ｍａｔｃｈｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ，ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ＡＤＳ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｔｏ　ｇｅｔ　３２ｄＢ　ｇａｉｎ，０．４５ｄＢ　ｎｏｉｓｅ　ｆｉｇｕｒｅ
ａｎｄ１．５ｉｎｐｕｔ　ＶＳＷＲ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＢｅｉＤｏｕ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；ｒｅｃｅｉｖｅｒ；ＲＦ　ｆｒｏｎｔ－ｅｎｄ；ＬＮＡ
收稿日期：２０１１－１０－２４
基金项目：２０１０年福建省重大专项（２０１０ＨＺ０００４－１）；福州市
市校科技合作项目（２０１１－Ｇ－１０５）；福州大学科技发
展基金（２０１１－ＸＹ－２３）
０　引　言
北斗导航系统是我国独立研制开发的卫星导航定
位通信系统，可以对我国领土、领海及周边地区的用户
进行定位及定时授时，并且可以实现各用户之间、用户
与中心控制站之间的简短报文通信［１］。
作为卫星定位导航接收机系统关键部分的射频模
块，主要包含接收与发射两大部分。接收部分的主要功
能是接收来自多颗卫星的微弱的Ｓ波段微波信号，并将
其进行低噪声放大、滤波和下变频后形成中频信号，送
给后端处理模块；发射部分则将本机的短信息经过调
制、上变频和放大后形成大功率的Ｌ波段射频信号，再
通过天线发送给卫星［２］。因此，射频模块的高性能、高
可靠性是保证整机正常工作的前提。
本文根据系统指标要求，提出一种基于ＡＴＦ５４１４３
的ＬＮＡ设计方案，并用ＡＤＳ软件进行了仿真。
１　接收机低噪声放大器指标要求
射频前端是所有无线电接收机中最关键的组成部
分，射频前端的设计一直是无线电接收机中最关键的环
节。“北斗”信号到达地面的最低功率为－１２７．６ｄＢｍ，
正常时为－１１６．８ｄＢｍ，载波频率为２　４９１．７５ＭＨｚ，带
宽为８．１６ＭＨｚ。设计的接收机要保证系统在大部分
时间内都能对卫星信号进行有效地捕获，这样设定接收
机的灵敏度为［３］－１１８ｄＢｍ。现在北斗接收机射频芯
片的最低输入信号功率一般为［４］－１００ｄＢｍ，所以
ＬＮＡ增益需要大于１８ｄＢ，考虑一定的余量，增益设计
为［５］３０ｄＢ。为了实现正常的ＯＱＰＳＫ解调，射频接收
部分输出给基带部分的信噪比为－１７ｄＢ，根据北斗接
收机的灵敏度要求，可以得到北斗接收机的最大噪声系
数为［３］３．８ｄＢ。前端低噪声放大器的指标要求如表１
所示。
表１　低噪声放大器的要求
工作频率
／ＭＨｚ
增益
／ｄＢ
输入驻波
噪声系数
／ｄＢ
输入阻抗
／Ω
输出阻抗
／Ω
２　４９１．７５±
４．０８ ３０ ≤１．５
（＠２　４９１．７５ＭＨｚ） ≤１．３　５０　５０
２　基于ＡＴＦ５４１４３的低噪声放大器设计
２．１　偏置电路设计
偏置电路是放大器不可缺少的电路单元，偏置的作
用是在特定的工作条件下为有源器件提供适当的静态
工作点，并抑制晶体管参数的离散性以及温度变化的影
响，从而保持恒定的工作特性。如果偏置电路设计不
当，会影响电路的噪声系数及功率增益等参数。从
ＡＴＦ－５４１４３手册可以看出，该放大管在源漏极电流
２０ｍＡ静态工作点下，在２．４ＧＨｚ频点上的最大功率
增益是１６．５ｄＢ，可以得到最小的噪声系数为０．４ｄＢ。
由于ＡＴＦ５４１４３的封装上有两个栅极，因此偏置电流
ＩＤ
设计为４０ｍＡ，通过计算可以得到偏置电阻Ｒ１＝
３３７Ω，Ｒ２＝３８Ω。
２．２　稳定性分析
放大器电路必须满足的首要条件之一是其在工作
频带内的稳定性，当一个射频放大器工作在不稳定区域
时，该电路就无法完成正常的放大作用，反而会出现振
荡信号。稳定性意味着反射系数的模小于１［６］，即：
ΓＬ ＜１，ΓＳ ＜１
Γｉｎ ＝ Ｓ１１＋Ｓ２１Ｓ１２ΓＬ
１－Ｓ２２ΓＬ ＜１
Γｏｕｔ ＝ Ｓ２２＋Ｓ１２Ｓ２１ΓＳ
１－Ｓ１１ΓＳ ＜１
　　一般晶体管的Ｓ１１
和Ｓ２２
参数的模小于１，Ｓ１２
不为
０，不能把晶体管视为单向性元件，输入反射系数不仅和
Ｓ１１
有关系，同时和负载反射系数ΓＬ
有关，不合适的负
载，有可能使Γｉｎ ＞１，导致输入端不稳定；同理，不合
适的源反射系数ΓＳ，有可能使Γｏｕｔ ＞１，导致输出端
不稳定。
在进行低噪声放大器稳定性分析时，需要在放大器
的直流和交流通路之间添加射频扼流电路，它实质是
一个无源低通电路，使直流偏置信号能传输到晶体管引
脚，而晶体管的射频信号不能进入直流通路，这里先用
村田电感模型进行仿真，再加上旁路电容。同时，直流
偏置信号不能传到两端的Ｔｅｒｍ 端口，需要加隔直
电容。
通过仿真，得出在２．４９ＧＨｚ工作频率下的稳定性
系数为０．９６８。由晶体管放大器理论可知，该放大器电
路不稳定，为了使系统稳定，最常用的方法就是添加负
反馈。本次设计中，采用在源极添加一小段短路传输线
作为负反馈，加上偏置电路和反馈后的电路如图１所
示，仿真结果如图２所示。由图可以看出，在整个频带
下都是稳定的。
图１　稳定性分析
图２　稳定性系数
２．３　噪声分析
对许多射频放大器来说，在低噪声前提下对信号进
行放大是系统的基本要求，可惜放大器的低噪声要求与
其他参数，如稳定性、增益等相冲突［７］。图３是等噪声
系数圆和等增益系数圆的仿真结果。ｍ２
是最大增益时
的输入阻抗；ｍ３
和ｍ４
是最小噪声时的输入阻抗。从
仿真结果中可以看出，最小噪声特性和最大增益是不能
同时实现的，为了得到较小的噪声系数，必然会减小
ＬＮＡ的增益，所以，噪声和增益必须择中选取。一般
ＬＮＡ的设计原则是把源阻抗匹配到最佳噪声源阻抗，
牺牲一定的增益，此时的噪声系数为０．４２７ｄＢ，增益
为１５．７８ｄＢ。
图３　匹配前等噪声和增益系数圆
２．４　最佳噪声匹配电路设计
从等噪声系数圆的仿真结果可以看出，源阻抗需匹
配到最佳噪声源阻抗（２３．６５－ｊ＊２１．１）Ω，在设计输入匹
配电路时，需把最佳源阻抗的共轭（２３．６５＋ｊ＊２１．０）Ω
１００ 现代电子技术２０１２年第３５卷
变换为输入阻抗５０Ω。设计输出匹配电路时，先通过仿
真工具得到晶体管的输出阻抗为（５６．７３９－ｊ＊３０．５６２）Ω，
把５０Ω变换为该阻抗的共轭（５６．７３９＋ｊ＊３０．５６２）Ω，输
入、输出匹配电路设计如图４所示。
图４　匹配后等噪声和增益系数圆
仿真结果如图５所示，可以看出已经是最低噪声匹
配，此时的增益为１５．７４０ｄＢ。
图５　单级放大器增益
２．５　两级放大器设计
为了达到３０ｄＢ 的增益，需要采用两级结构，
第一级放大器的噪声系数对系统的影响最大，因此
第一级应用最小噪声系数匹配的原则来完成电路设计，
第二级用共轭匹配设计，以达到增益最大化的要求。设
计电路如图６所示，两级之间的连接应该采用共扼匹配
设计，以防止回波损耗变大而使系统的性能变差。
图６　两级放大器电路
同时为了使电源输入端更好的射频接地，需要在电
源端并联三个电容，分别为１μＦ，１０ｎＦ和１０ｐＦ，它们
具有不同的自谐振频率，这样能使整个频带都具有较好
的接地效果。由于较高的增益会使得输入驻波比变差，
所以通过ＡＤＳ自带的调谐功能，调整输出匹配电路，使
得在增益和驻波比两个方面都达到一个比较理想的
结果。
３　仿真结果分析
两级整体电路的Ｓ 参数、噪声系数和稳定性系数
的仿真结果分别如图７～图９所示。从仿真结果可以
看出，噪声系数为０．４５１ｄＢ，增益为３１．８２４ｄＢ，已达到
设计要求，通带平坦度小于１．０ｄＢ，输入端口回波损耗
为１４．０２３ｄＢ，输入驻波比小于１．５，满足北斗导航接收
机ＬＮＡ设计要求。
图７　Ｓ 参数仿真结果
图８　噪声系数仿真结果
图９　稳定性系数仿真结果
（下转第１０４页）　
第５期余之喜，等：北斗导航接收机ＬＮＡ的设计与仿真１０１
图８　Ｅ型天线实物图
图９　Ｅ型天线的实测图
３　结　语
针对微带天线窄带的特性，本文提出了一种有效展
宽微带天线频带的方法。通过在Ｕ型微带天线中间加
一段传输线，适当调整同轴馈电点和传输线的长宽，实
现了宽频带高增益的Ｅ型微带天线的设计。天线工作
在４．２５～５．３６６ＧＨｚ频带内，且增益达到了９ｄＢ，相对
带宽达到２３％，可运用于ＩＥＥＥ　８０２．１１ａ（５ＧＨｚ）频段
的无线局域网。本文给出了实测结果，并与仿真结果
一致。
参　考　文　献
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４３－４５．
（上接第１０１页）
４　结　语
针对射频接收模块系统指标要求，对参数的指标进
行了分析，根据噪声系数、灵敏度、增益等关键指标要
求，提出了一种基于ＡＴＦ５４１４３的低噪声放大器设计
方案，并用ＡＤＳ软件进行了仿真，得到了仿真数据，为
后面设计、调试硬件电路板提供了理论依据。
参　考　文　献
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作者简介：余之喜　男，１９８７年出生，大田人，硕士研究生。主要从事射频电路设计的研究。
苏凯雄　男，罗源人，教授。主要研究方向为数字视频广播系统与多媒体技术。
陈　俊　男，１９７８年出生，福清人，硕士，讲师。主要从事微波功率放大器和数字电视等方向的研究。
杨华炜　男，１９８７年出生，连城人，硕士研究生。主要从事射频电路设计的研究。
１０４ 现代电子技术２０１２年第３５卷
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2014-10-1 07:58 上传

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