北斗/GPS信號轉發器的分布參數設計

張紅宇，王永慧，吳湘蓮（嘉興職業技術學院，浙江嘉興，314036）

北斗/GPS信號轉發器的分布參數設計

張紅宇，王永慧，吳湘蓮
（嘉興職業技術學院，浙江嘉興，314036）

本文設計了一款可以兼容北斗、GPS的信號轉發電路設計。該電路選用英飛凌公司的BFP740ESD芯片，通過ADS軟件進行仿真、設計了一款分布參數匹配方式的兩級放大電路，實現了在1.555GHz-1.58GHz的頻帶內，該信號轉發器的噪聲系數為0.82dB，增益為41.4dB，輸入輸出反射系數小于-13dB。

信號轉發器；噪聲系數；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品中，北斗、GPS信號轉發器就是其中一種。在封閉的環境內需要GPS或者北斗信號時，信號轉發器可以通過室外的天線進行實時通信，把信號引到室內，接收終端才能順利地實現定位等功能。

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射北斗、GPS的信號轉發器成為可能。這樣的轉發器應用市場會更加廣泛。綜合以上考慮，本文設計的信號轉發器設計成1555-1580MHz的工作頻段。

1 信號轉發器的噪聲系數分析

噪聲系數是信號轉發器最需要關注的參數，由于天線接收到的北斗、GPS無線信號的功率已經非常弱，所以對放大器的噪聲系數有著非常高的要求。在通信系統設計中，可以分為放大電路的噪聲系數NF（Noise Figure）和噪聲因數 F（Noise Factor）[3]。噪聲因數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，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到頻帶內最小的噪聲系數。級聯電路的噪聲性能要求第一級電路本身有較低的噪聲系數并且有相當的增益，第二級電路的作用會由于第一級的增益而削弱，可以考慮設計成為高增益的放大電路。這樣，電路的綜合性能就會達到最佳的設計。

圖1 信號轉發器的分布參數匹配電路原理圖

2 射頻電路原理圖設計

經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的噪聲系數低至0.65dB且增益達到25.5dB。本電路采用兩種靜態工作點的設計方式，第一級電路使用低靜態工作點的電路，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貢獻很小，且需要高增益的特性，采用相對較高靜態工作點的電路。

圖1是BFP740ESD芯片的兩級電路分布參數匹配原理圖（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反饋的影響。通過電路的調諧和優化，其仿真結果如圖2所示。

圖2 信號轉發器的分布參數匹配版圖仿真結果

原理圖仿真結果為：在絕對穩定時，該電路在工作頻帶內的噪聲系數為0.72dB，增益為41.2dB，輸入輸出駐波也都在-18dB以下。

3 射頻電路版圖設計

利用ADS軟件，將設計完成的原理圖自動生成版圖，再通過手動優化布線，在相應裝貼元器件和芯片的地方預留焊接的空間。在版圖的仿真過程中，仿真用的電容電感參數使用生產廠家的模型。通過反復的手動調節，最終確定版圖如圖3所示，版圖仿真結果如圖4所示。

圖3 信號轉發器的分布參數匹配電路版圖

由圖4可以看出，版圖和原理圖仿真結果曲線有著相似的變化趨勢，版圖的仿真結果稍有惡化，輸出駐波還出現不連續的諧振點。出現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性帶來的。最終的版圖仿真結果為：噪聲系數在0.82左右，增益可以達到41.4dB, 輸入輸出反射系數在-13dB以下。本設計通過平衡輸入反射和噪聲。這是一個較為理想的結果。同樣也說明了原理圖的仿真結果對版圖的仿真具有很大的指導意義。

圖4 信號轉發器的分布參數匹配版圖仿真結果

4 結束語

本文介紹了分布參數匹配的信號轉發電路設計，利用射頻仿真軟件ADS，分別對其進行了原理圖和版圖兩種類型的仿真，最后得到的噪聲系數為0.82dB，增益為41.4dB，輸入輸出反射系數約為-13dB，最終仿真結果符合預期需求。

[1] 費威.GPS /北斗雙模導航接收機捕獲器硬件設計與優化[J].信息技術，2013,6：4-7.

[2] 左玉多.一款低噪聲衛星導航接收機射頻前端的設計[J].半導體技術，2015，40（8）：575-579．

[3] 劉長軍．射頻通信電路設計.北京：科學出版社，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研究工業項目，名稱：18mm*18mm北斗兼容GPS雙模衛星定位接收器研制，編號：2015C31132。