基于衛星導航系統的低噪聲放大器設計

陳 莽 張 更

北京航天長征飛行器研究所 ，北京 100076

1 概述

低噪聲微波放大器(LNA)已廣泛應用于微波通信、GPS接收機、遙感遙控、雷達、電子對抗及各種高精度的微波測量系統中，是必不可少的重要電路。低噪聲放大器位于射頻接收系統的前端，其主要功能是將來自天線的低電壓信號進行小信號放大。前級放大器的噪聲系數對整個微波系統的噪聲影響最大，它的增益將決定對后級電路的噪聲抑制程度。應用于導航接收系統中的LNA，要求噪聲低、可靠性高，考慮到復雜的電磁環境，要對大功率的S波段遙測信號進行干擾抑制。

2 設計基本思路

2.1 低噪聲放大器的理論

LNA的性能指標主要是噪聲系數、增益、工作頻帶及電壓駐波比等,尤其是噪聲系數和增益對整機性能影響較大。要實現理想功率傳輸,必須使負載阻抗與源阻抗相匹配,這就需要插入匹配網絡。放大管存在最佳源阻抗Zsopt,LNA的輸入端應按Zsopt進行匹配,此時放大器的噪聲系數為最小,稱為最佳噪聲匹配。而為了獲得較高的功率增益和較好的輸出駐波比,輸出端采用輸出共軛匹配。如果增益不夠,需采用多級放大電路。

噪聲系數F為輸入信噪比比輸出信噪比。信號通過放大器后，由于放大器產生噪聲，使信噪比變壞，信噪比下降的倍數就是噪聲系數。

Si，So，Ni和No分別為放大器輸入和輸出的信號功率和噪聲功率；G為放大器增益。一個具有增益G1,G2，…，Gn和噪聲系數為F1,F2，…，Fn的n級串接級聯的放大器的噪聲系數為:

F為放大器整機的噪聲系數，Fn為放大器第n級的噪聲系數，Gn-1為放大器第n-1級的增益，K為放大器后續級的噪聲系數與噪聲因子的關系式。可以看出級聯放大器的噪聲系數主要由第一級的噪聲系數決定，為了獲得盡可能低的噪聲系數，第一級放大器必須實現最佳噪聲輸入匹配電路設計。

2.2 放大器的設計思路

LNA的綜合設計包括如下幾個方面:電路形式的選擇、器件的選擇、匹配網絡設計和偏置電路設計和優化設計。

由于增益較高，本文設計的LNA由兩級放大電路組成。根據對遙測信號的陷波要求，在導航信號進入放大芯片前，采取遙測信號陷波技術，對遙測信號進行抑制，防止功率大的遙測信號阻塞放大電路。輸入匹配電路，利用斯密斯圓圖進行匹配設計。該設計匹配電路是采用集總參數元件實現，在獲得低噪聲的前提下，很容易獲得純50Ω 的電阻性阻抗電路和優異的駐波比。電源采用5V 直流電壓供電。放大器的結構框圖如圖1 所示。

圖1 放大器的結構框圖

3 低噪聲放大器設計

3.1 設計指標

本LNA應用于某衛星導航系統中，主要指標為:

工作頻率：1550～1609MHz;

噪聲系數NF≤1.5dB;

增益 :32dB～36dB；

S波段陷波抑制：≥20dB。

3.2 S波段陷波電路

S波段遙測陷波采用電感和電容組合形成低通陷波器，由于對遙測信號的抑制要大于20dB，在放大芯片前端采用兩階低通陷波設計，對遙測信號進行陷波。其遙測信號低通陷波原理圖如圖3所示。

圖2 遙測信號低通陷波原理圖

3.3 放大器電路

前級放大器相對注重噪聲性能,輸入端針對最佳噪聲系數要求設計匹配電路,不要求增益太高。后級放大器則相對注重增益性能,適當降低對噪聲系數的要求。即輸出端口和級間針對增益最大和平坦度進行匹配電路設計。

設計時，放大電路一級放大芯片選擇HMC618LP3，其放大增益為21dB，噪聲系數為0.8dB；二級放大芯片選擇SGA3563，其放大增益為23dB，噪聲系數為2.5dB。低噪聲放大器HMC618-LP3設計為工作電壓3.3V。設計噪聲系數F為1.2dB，放大器增益34dB。

低噪聲放大器原理如圖3所示。

4 實測結果及分析

根據以上設計分析，原材料選用美國Rogers公司雙面覆銅介質基板Rogers4350，介電常數：3.38；厚度：0.5mm，進行了硬件的加工并測試。LNA的PCB板如圖4所示。

S波段遙測信號的陷波實測曲線如圖5所示，增益測試曲線如圖6所示。

圖3 低噪聲放大器原理圖

圖4 LNA的PCB板

圖5 遙測信號的陷波測試曲線

圖6 增益測試曲線

根據圖5可以得出，陷波衰減能達到25dB以上，陷波損耗約為0.3dB。根據圖6可以得出，放大器的增益33.4dB,通過遙測信號的陷波設計，使得放大器在遙測工作頻帶處的增益迅速下降,放大器的增益曲線顯示放大器有“濾波放大”的作用，對遙測信號抑制能達到25dB以上。經噪聲儀測試，其噪聲系數為1.2dB。通過以上測試分析顯示實際測試值與設計指標要求一致，達到了設計要求。

5 結論

根據導航系統對L波段低噪聲放大器的指標要求，選擇合適的電路拓撲、元器件和板材，通過對遙測信號的陷波設計，采用封閉盒體結構等方法，在設計上提高放大器的環境適應能力和系統抗干擾特性。最終通過實測驗證了該方案的可行性,測試結果與設計結果吻合較好。這里的創新點是采用遙測信號陷波技術，L波段低噪聲放大器具有增益高、噪聲系數小及對S波段信號抑制等優點，可廣泛應用于微波通信、衛星導航通信等各種電子設備中。

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