用于GPS的低噪聲放大器設計

付小明

摘? ?要：文章介紹了一款應用于GPS L1頻段的低噪聲放大器，使用Infineon公司的BFP420射頻晶體管。利用ADS軟件介紹了射頻低噪聲放大器的設計步驟和指標，成功制作出實物，并利用網絡分析儀和噪聲分析儀等設備驗證了放大器性能。此放大器與陶瓷天線結合，并接入到GPS接收器，于空曠地帶測量了其接收GPS衛星信號的性能。

關鍵詞：全球衛星導航系統;低噪聲放大器;BFP420;自動化設備規范

1? ? 衛星導航系統發展

全球衛星導航系統（Global Satellite Navigation System，GNSS）作為影響國家安全和經濟的基礎設施，各軍事大國和經濟體都爭相發展獨立自主的衛星導航系統。目前主要有美國的GPS，俄羅斯的GLONASS，歐盟的Galileo和我國的北斗等系統，而GPS為最先提出并成功運行的系統，起始于20世紀五六十年代的美國軍方，并逐漸發展。GPS提供了軍用和民用兩種不同服務，同時提供了實時、全天候和全球性的定位導航服務，其民用部分已深深影響了我們的日常生活。GPS可為位于海、陸、空各個層面的物體進行定位、導航;可為電力、郵電和通信等網絡系統授時與校頻;可應用于大地測量、地殼運動監測、工程測量等各種高精度測量任務中[1]。

GPS系統目前主要使用以下頻段：L1（1 575.42 MHz），L2（1 227.6 MHz）和L5（1 176.45 MHz）等。其中民用GPS主要使用L1波段，民用L1 C/A碼信號地面接收功率約在-130 dBm[2]。GPS接收機通過天線接收到GPS衛星信號，經前置放大濾波后，傳送到GPS專用芯片處理解算出定位導航數據。目前，市面上主流GPS芯片有UBLOX，SIRF（現為高通所并購）、MTK等。鑒于地面GPS功率較弱，所以需要性能良好的天線和前端放大器，否則會影響整個接收機的定位性能。

天線部分可以參考聶在平[3]的觀點，本文主要涉及前置放大器部分，根據級聯放大器的噪聲溫度公式，一個級聯系統中首級的噪聲性能尤為重要。所以本文設計第一級前置低噪聲放大器。

低噪聲放大器的主要技術指標有：噪聲系數、放大器增益和穩定性等。由于GPS L1的工作頻率為1 575.42 MHz射頻波段，所以其前端低噪聲放大器與常規低頻電路的設計方法完成不同。本文將從工程應用的角度一步一步來介紹射頻低噪聲放大器的設計。

確認以下技術條件和指標。工作頻率：1 575.42 MHz（GPS L1頻段）;噪聲系數：小于1.5 dB;增益：大于12 dB;輸入輸出阻抗：50 Ω;輸出駐波比：小于1.5;穩定條件：絕對穩定;工作電壓：3 V。

目前，市面上射頻低噪聲放大器的生產廠家有很多，包括國內和國外廠家。器件選擇有晶體管和微波集成電路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）等。MMIC（如Infineon的BGA725L6）只需要外圍幾顆阻容器件即可使用，在設計上較為方便，但價格方面會高于晶體管（兩顆晶體管的價格可能還低于MMIC器件），本文以基本的晶體管出發設計的此類放大器，具有良好的性價比。

2? ? 放大器設計

2.1? 器件選型

此次設計選擇來自德國Infineon科技公司的產品BFP420，Infineon為全球領先的半導體公司之一，其性能在業內相當優秀。

首先，訪問Infineon官網（https：//www.infineon.com/cms/en/product/rf-wireless-control/rf-transistor/low-noise-si-transistors-up-to-5-ghz/bfp420/），查看BFP420的相關datasheet?？梢夿FP420作為NPN射頻晶體管，其性能符合設計指標要求，性價比相當不錯。

2.2? ADS仿真設計

2.2.1? 下載BFP420的ADS庫文件并安裝

從以下官網頁面（https：//www.infineon.com/cms/en/product/rf-wireless-control/rf-transistor/low-noise-si-transistors-up-to-5-ghz/bfp420/）下載相關ADS庫文件，并在ADS中用Design Kits安裝相應庫文件。安裝成功后可以從工作界面選取相應的Infineon器件[4-5]。

2.2.2? 直流分析

利用“BJT Curve Tracer”控件進行直流分析。目前，市面上的GPS系統基本工作在2.7～3.3 V，所以這里設計低噪聲放大器的工作電壓為3.0 V?？紤]到大部分GPS系統開機就會給LNA供電，因此從功耗以及晶體管的特性出發，選取的工作電流為4 mA。

2.2.3? 設計偏置電路

為了使放大器工作，需設計直流偏置電路，其作用是在特定的工作條件下為放大器提供適當的靜態工作點。同時直流偏置也不能影響射頻信號源，因此，偏置電路應考慮到去耦。偏置電路種類很多，關于偏置電路的設計，ADS里有幾種方法，這里利用設計向導（Design Guide）來設計。

此過程利用Design Guide設計偏置并計算出偏置電路阻值，Vcc=3.0 V，Vce=2.0 V，Ic=4 mA。算出R1=247.485 162 Ω，R2=28.529 845 kΩ，從實際工程上應用電阻值，R1選用240 Ω，R2選用27 kΩ。

針對上述阻值的偏置電路進行直流仿真分析，分析結果Vce=1.99 V，Ic=4.17 mA。

2.2.4? 穩定性分析

射頻放大器，由于反射波的存在，輸出信號會有一部分反饋到輸入端，使得放大器可能轉變為振蕩器。因此必須設計放大器使其工作狀態絕對穩定，即在選定的工作頻率和偏置條件下，放大器對于任意波源和負載都是穩定的。

k為穩定性因子，絕對穩定要求：

k>1，

在ADS里對BFP420進行穩定性分析，計算出目前設計的k為0.523，顯然小于1，放大器是不穩定的。為了使其穩定，可以引入負反饋和電阻負載，負反饋這里采用了在晶體管的射極加小電感，利用微帶線實現。先加入微帶線作為負反饋，由結果看出，穩定性因子雖有所提升，但仍小于1，不穩定?？煽紤]加一阻性負載，這一步驟在設計完輸入輸出匹配網絡后再來增加。

2.2.5? 噪聲系數圓和輸入匹配

噪聲系數是指信號通過放大器后，由于放大器本身的噪聲，使得信噪比變差。信噪比下載的倍數就是噪聲系數，定義如下：

Sin和Nin為輸入端的信號功率和噪聲功率;Sout和Nout為輸入端的信號功率和噪聲功率。根據級聯放大器的噪聲系數公式：

NFn為第n級放大器的噪聲系數，Gn為第n級放大器的增益?？梢娬麄€接收機的噪聲系數主要受第1級影響。

由于噪聲系數主要受輸入匹配影響，因此在第1級的放大器中，輸入匹配設計是為了獲取最小噪聲系數。

在ADS中仿真噪聲系數，等噪聲圓獲取最小噪聲的輸入阻抗值。根據阻抗共軛匹配并利用ADS的匹配設計工具，設計輸入匹配網絡如下，其中6.8 nH電感直接替換輸入端的DC_Feed2，2.7 pF電容替換DC_Block1，并增加DC_Block3射頻接地（最終替換成33 pF電容）。

2.2.6? 輸出匹配

放大器的主要任務就是對輸入信號進行放大。放大器的轉換功率增益定義為：

Γs為源反射系數，Γin為輸入反射系數，ΓL為負載反射系數。

輸入匹配網絡是為了獲取最小噪聲系數，輸出匹配網絡設計則是為了獲取最大增益。

在ADS中得到目前放大器的輸出阻抗，為了獲取最大增益，根據阻抗共軛，設計輸出匹配網絡使此放大器的輸出阻抗變換到50 Ω。同時考慮到此放大器仍不穩定，所以增加一15 Ω的R3電阻用于改善穩定特性，

2.2.7? 整體電路

綜上所述，將DC_Block3和DC_Block4替換成33 pF電容，DC_Feed3替換成47 nH電感，整體電路設計和運行仿真結果如圖1所示。仿真運行結果如表1所示。

2.3? 版圖PCB設計和實物性能測試

使用印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）畫圖軟件layout，并制板，采用FR4板材，板厚0.8 mm。

焊接好PCB并適當的微調，采用穩壓電壓MATRIX MPS-3003D，數字萬用表Agilent 34 401 A，網絡分析儀Agilent 8753ES和噪聲分析儀 HP8970B測量，觀察實際測量結果（見表2），表明設計符合要求。

2.4? EVB整機空曠地帶測試

采用上述焊好的LNA PCB板子，天線采用25×25×4的陶瓷天線，工作頻率為1 575.42 MHz，GPS接收器使用UBLOX 公司出品的UBX-G6010EVK。實際測試結果如圖2所示，圖2中的G17，G19和G2等表示衛星編號，A柱表示該衛星用于定位解算，柱子上的49，48表示所接收到的信號強度（載噪比C/N0，單位dBHz）?？梢娍偟氖招穷w數為11顆衛星，其中，7顆用于定位解算，最高C/N0值可以達到49 dBHz，11顆衛星中超過40 dBHz的顆數達到9顆，所以，該設計收星效果良好，定位正常。

3? ? 結語

本文設計了第一級的放大器，主要考慮低噪聲這一指標而非最大增益。目前。市面上GPS外置天線常規設計為兩級放大，而第二級放大器則以最大增益為出發點設計。本文只考慮了GPS L1這一頻段，后續可進一步用于設計GPS+BD2+GLONASS多模用低噪聲放大器。

[參考文獻]

[1]謝鋼.GPS原理與接收機設計[M].北京：電子工業出版社，2009.

[2]米斯拉，恩格.全球定位系統—信號、測量與性能[M].2版.羅鳴，曹沖，肖雄兵，等，譯.北京：電子工業出版社，2008.

[3]聶在平.天線工程手冊[M].成都：電子科技大學出版社，2014.

[4]黃玉蘭.ADS射頻電路設計基礎與典型應用[M].2版.北京：人民郵電出版社，2015.

[5]路德維格，波格丹諾夫.射頻電路設計—理論與應用[M].2版.王子宇，王心悅，譯.北京：電子工業出版社，2013.