一种卫星导航接收机低噪放的设计与实现

数高, 有源匹配电路仅适合于单片集成电路或无封 装管芯电路 , 有封 装的 FET 制作行波放大器, 不仅 特性难以满足 , 而 且需要的 FET 数量多, 成本价格 高。负反馈放大器和平衡电路放大器是应用最多的 宽带放大电路。负反馈放大器分为串联负反馈和并 联负反馈。源极串联负反馈能够降低整个电路对晶 体管自身性能变化的敏感度, 改善放大器的驻波比 , 增加稳定性 , 增加放大器 线性度 ; 源级串联无耗 电感反馈由于可以降低最佳噪声源 阻抗的电抗部 分 , 而对其电阻部分几乎不影响 , 所以几乎不恶化噪 声 , 易于宽带噪声匹配。但是反馈量需要很好的 控制, 如果反馈量过小 , 不能够满足要求, 反馈量过 大则降低高端稳定性 , 容易引起自激。并联负反馈 可以适用于几个倍频程 , 适用于超宽带放大器的设 计 , 但是噪声系数较大。平衡放大电路可以对晶体 管进行低噪声匹配设计, 而不用考虑驻波比, 但是由 于带宽要受到 3dB 耦合器的限制 , 一般能够做到一 [ 4] 个倍频程 。 综合对几种电路形式的特点分析 , 串联负反馈 具有明显的优势 , 所以确定应使用串联负反馈实现 低噪声放大器。
1 引
言
低噪声放大器在通信、 雷达、 电子对抗等应用中 非常重要, 一般用在接收机天线后面 , 起到放大微弱 信号的作用。由于接收机系统的噪声特性很大程度 上依赖于第一级放大器的噪声系数, 所以低噪声放 大器的噪声系数应该非常低。并且在噪声系数相同 的情况下, 应该使其增益尽量大。 卫星导航 接收机一般都工作在几个不同的频 带 , 从宽带接收天线输出的信号是几个频带信号的 混合, 多模卫星导航接收机更是如此。如果低噪声 放大器是窄带的 , 每个频带都需要单独的低噪声放 大器, 那么就需要在天线后加分路器将混合信号分 成几路 , 分别送到不同的低噪声放大器。分路器必 然导致信号的衰减。由于信号本来很微弱 , 信号衰 减导致系统的噪声系数变大 , 严重影响接收机的性 能。使用宽带低噪声放大器可以使多个频段的信号 被同一个低噪放大器放大 , 避免在低噪放前面分路
6期
谢
超等 : 一种卫星导 航接收机低噪放的设计与实现
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图1
S 参数初步仿真结果
图 2 调整平坦度后的增益、 噪声系数和稳定性的仿真结果
3 . 4 电路实现和性能验证 下一步的工作是根据原理图实现电路, 并对各 项性能进行测试验证。 其增益仿真结果和实测结 果的对比如图 3 所 示 , 左边图为仿真结果 , 右边为实测结果。测试使用 了 A gilent E8362B 矢量网络分析仪, 实测数据保存 为 S2P文件后 , 在 PC 机上利用 ADS 软件绘图 , 增益 的波动是由于相对带宽较宽 , 矢量网络分析仪测试 端口不能完全匹配, 而造成的测量误差。
第 6期 2009年 12月
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MI CROPRO CE SSOR S
N o. 6 D ec. , 2009
一种卫星导航接收机低噪放的设计与实现
谢 超, 张 建
( 国防科技大学电子科学与工程学院卫星导航定位研发中心, 长沙 410073) 摘 要 : 介绍了一种工作在 1. 1GH z~ 1 . 6GH z的多模卫星导航接收机低噪声放大器的设计与
2 方案设计
宽带低噪声放大器需要在较宽的频带范围内具 有良好的噪声特性和驻波特性, 而一般来说晶体管 增益匹配时的源阻抗不等于噪声匹配时的最佳源阻 抗, 这就增加了匹配的难度。另外 , 由于晶体管的实 用功率典型的随频率增加按 6dB /倍频程而下降, 为 了实现宽带放大, 就必须对增益的滚降特性进行补 偿, 使低频段的增益减小。在低频段增益减小的同 时必然使低频的驻波比变差, 同时噪声性能也会受 影响。常用的宽频带放大器的电路形式有以下五
13 页表 , 如表 1所示。
有损 匹配 多倍 频程 中等 较差 高 大 不易 少 中 行波 电路 非常宽 中等 良 低 中 容易 多 较好 有源 匹配 多倍 频程 中等 良 低 中 不易 中 较好
表 1 各种宽带放大电路的对比 负反馈 多倍 频程 较小 良 中 中 不易 少 较好
根据文献
中的论述 , 有损匹配网络的噪声系
图 3 仿真和实测数据对比
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/ / Interrupt Serv ice Routines / /- - - - - - - - - - - - - - - - - - -
P2_1= 0 ; if( tem _period= = 0) { tem _perio d= set_period ; / /恢 复中断计数值 counter_dec( ); / /计数减 1 } } TH 0 = 0x38 ; / / In it T i m er0 H igh reg ister TL0 = 0x9; f / / Init T i m er0 L ow reg ister } 在软件开发方面 , 由于其内部带有 2K 内部数 字存储器 , 内存资源使用上比较充裕, 便于大量数学 运算 , 32KB 的程序存储器也具有充足的使用空间, 此外其执行速度比标准 51 单片机提高了 12 倍, 使 得程序的执行速度有很大提高。
作者简介 : 谢超 ( 1984- ) , 男 , 山东平原人 , 硕士研究生 , 主研方向 : 星基导航。 收稿日期 : 2008- 06- 25
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种 : 平衡式放大器、 反馈式放大器、 有损匹配式放大 器、 有源匹配式放大器、 分布式放大器。各种形式放 大器的性能特点 , 引用文献
噪声系数的测试结果如表 2所示, 在 1 . 1GH z~ 1 . 6GH z频带内不高于 1 . 1dB。
表 2 噪声系数测试结果 频率 ( GH z) 1. 1 1. 2 1. 3 1. 4 1. 5 1. 6 噪声系数 ( dB) 0. 84 0. 73 0. 91 1. 06 1. 00 0. 90 等效噪声温度 ( K ) 61 . 4 52 . 9 67 . 8 80 . 3 74 . 7 67 . 0
电路形式 频带宽度 电路尺寸 阻抗匹配 噪声系数 电路允许公差 多级相联 FET 数量 输出功率线性度 平衡 电路 倍频程 较大 优 低 大 容易 中 好
[ 4] [ 4]
声系数
0 . 7dB, 为了在有干扰信号的时候不饱和,
应该具有较高的输入输出饱和功率。根据需求选择 Avago T echno lo g ies公司的 ATF33143 芯片作为第一 级放大器。该芯 片是 PHEMT 类 型的场效应管 , 工 作频带范围是 450 MH z~ 10GH z 。 该芯片在 1 . 9GH z 频率 具有 如 下 性 能: 噪 声 系 数 0. 5dB , 相关增益 17 . 5dB, 1dB 压缩点输出功率 20dBm, 三阶交截点功 率 31 . 5dBm。第二级放大器选择 Avago T echnolog ie s 公司的 MGA86563 , 噪声系数 1 . 6dB, 工作频率范围 是 0 . 5~ 6GH z , 该放大 器功耗低, 外部配置 电路简 单, 实用性强。 3 . 2 初步设计和仿真 根据器件手册中的典型应用电路, 芯片的直流 偏置方式有双电源和单电源 , 为使用方便, 选择单电 源偏置方式。 在不 添 加 输 入 输 出 匹 配 网 络 的 条 件 下, 对 1 . 3GH z频点仿真 , 画出等噪声系数圆和等 增益圆。 噪声系数最优点和增益最大点是不重合的, 为了获 得好的性能 , 一般要在两者之 间作出折衷的选 择。 选择目标匹配点, 利用 ADS 自带的工具对放大器进 行匹配, 将输入输出分别匹配到 50 m。 稳定性分析证明电路在全频带内稳定。对 S 参 数的仿真结 果如图 1 所 示, S11 、 S22 在 1 . 1GH z~ 1 . 6GH z频段内分别小于 - 13和 - 20 , 说明输入输出 匹配 较好, 但是 S21 在该频 带内的 波动接 近 4 个 dB, 对于实际应用来讲 , 这样的平坦度太差。因此 需要对电路的参数进行调整。 3 . 3 优化设计和仿真验证 在电路稳 定的 范围内 , 通过 改变 源极 微带 线 TL1、 TL2 的长宽增大源极反馈电感的值, 可以使负 反馈深度增加 , 从而压低低频增益。改变源极射频 接地电容 C15 、 C16 的值和输入端接地微带线 TL15 的参数也会对匹配产生影响 , 从而影响增益。通过 调整 TL1 、 TL2 、 TL15 的参数和各电容的值 , 在电路 稳定的范围内 , 使得 S21 在 1 . 1GH z~ 1 . 6GH z 频段 内的波动减小到 1 . 5dB。调整后仿真结果如图 2 所 示, 可见电路不仅增益平坦满足要求, 而且稳定性也 在关心的频段内达到了要求, 噪声系数的仿真结果 在 1 . 1GH z~ 1 . 6GH z频带内小于 0 . 5dB。 第一级放大器的设计已经完成了, 第二级放大 器采用 的是 A vago T echno lo g ies 公司的 MGA86563 芯片 , 由于第二级放大器芯片的外部配置电路简单, 并且与第一级电路的匹配简单, 在这里不作介绍。
The Design and Realization of a LNA in Sate llite Nav igation Rece iver
X IE Chao , ZHANG Jian
( Satellite N avigation and Po sitioning R&D Center , Schoo l of E lectronic Science and Engineer ing, the N a tional University. of D efense T echno logy, Chang sha 410073, China )
Abstract : T his paper introduces the desig n and realization of a 1 . 1GH z~ 1 . 6GH z LNA used in m uti - m ode sate llite nav ig ation rece iv er . For the sake of good ga in flatness in the concerned frequency band , series nagat iv e feedback at sourse cathode is used . T he desig n and si m u latio n of the LNA is carry ied ou. t The desig n o f a stab ilized circu it wh ich has good no ise figure and ga in flatness is reached . A t the end , the c ircuit w as i m p le m ented , debugged and tested for the va lid ity o f the desig n . K ey w ords: L ow No ise Am plifier( LNA ); W ide- band ; No ise ; Series Sagativ e Feedback 信号 , 也就避 免了由于信号分 路导致的性能恶 化。 因此在多模卫星导航接收机中, 要求设计一种宽带 低噪声放大器。宽带低噪放的设计有多种方法, 比 如源极串联负反馈法、 级间失配法、 源极并联负反馈 法和平衡放大电路等方法 [ 3]。经过分析 , 在本设 计实例中 , 源极串联负反馈方法较其它方法具有明 显的优势。