北斗导航接收机LNA的设计与仿真

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32 dB，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

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。
    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。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-127．6 dBm，正常时为-116．8 dBm，载波频率为2 491．75 MHz，带宽为8．16 MHz。设计的接收机要保证系统存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-118 dBm。现在北斗接收机射频芯片的最低输入信号功率一般为-100dBm，所以LNA增益需要大于18 dB，考虑一定的余量，增益没计为30 dB。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3．8 dB。前端低噪声放大器的指标要求如表1所示。

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20 mA静态工作点下，在2．4GHz频点上的最大功率增益是16．5 dB，可以得到最小的噪声系数为0．4 dB。
由于ATF54143的封装上有两个栅极，因此偏置电流ID，设计为40 mA，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，即：
   
    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2．49 GHz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。
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。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。

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(23．6S+j*21．0)Ω变换为输入阻抗50 Ω。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50 Ω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。

    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。
2．5 两级放大器设计
    为了达到30 dB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，第二级用共轭匹配没计，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。

    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，10 nF和1 0 pF，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0．451 dB，增益为31．824 dB，已达到设计要求，通带平坦度小于1．0 dB，输入端口回波损耗为14．023 dB，输入驻波比小于1．5，满足北斗导航接收机LNA设计要求。

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。