北斗導(dǎo)航終端射頻接收電路的設(shè)計與實現(xiàn)

楊華煒

（福建福大北斗通信科技有限公司，福建 福州 350100）

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS），負(fù)責(zé)實現(xiàn)全球的定位、導(dǎo)航和時間校準(zhǔn)，其包含了三個部分，分別是全球系統(tǒng)、區(qū)域系統(tǒng)和星基增強系統(tǒng)。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特點鮮明，具有準(zhǔn)確程度高、智能化程度高、經(jīng)濟效益高的特點，能夠全時段、全范圍工作，是國家的經(jīng)濟、國防和信息化的基礎(chǔ)，能夠展現(xiàn)一個國家的綜合國力和科技實力。其核心作用是進行位置匹配、基準(zhǔn)時間校正以及一切與定位、授時相關(guān)的實時信息顯示。由于北斗一代RDSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)在工作原理上具備一定的特殊性，能夠?qū)崿F(xiàn)短報文的發(fā)送與接收，這就保證了用戶在對自身進行定位的同時還能夠?qū)崟r反饋自身的位置和其他信息。定位技術(shù)在很多領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用，比如鐵路運輸、遠(yuǎn)洋運輸、航空運輸、氣象監(jiān)控、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、應(yīng)急管理等。北斗一代產(chǎn)品最起初的應(yīng)用是為了遠(yuǎn)洋船舶的定位導(dǎo)航，實現(xiàn)海岸主控中心對遠(yuǎn)洋作業(yè)船只的有效監(jiān)控，保證遠(yuǎn)洋作業(yè)船只的安全及作業(yè)船員的人身安全。

1 低噪聲放大器

1．1 噪聲優(yōu)化技術(shù)

噪聲系數(shù)可以基于兩端口網(wǎng)絡(luò)進行技術(shù)分析，這樣就能夠保證在不了解網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部噪聲源的情況下，實現(xiàn)對噪聲特性的分析，噪聲模型圖如圖1所示。

圖1 兩端口網(wǎng)絡(luò)通用噪聲模型圖

根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)可以得到如下式子：

從式（1）可以得出，兩端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲性能可以由 Fmin、Rn、Gopt、Bopt四個變量來表達(dá)。為了盡可能地限制噪聲，需要使源阻抗和最優(yōu)阻抗的數(shù)值匹配在特定狀態(tài)，傳輸功率極限值也必須和最優(yōu)阻抗的數(shù)值匹配在特定狀態(tài)。普遍情況下這兩個關(guān)系參數(shù)值是完全不一致的，所以無法保證噪聲系數(shù)和傳輸功率這兩個參數(shù)同時處于最優(yōu)值，需要根據(jù)實際情況進行合理調(diào)控。

基于COMS工藝進行LNA設(shè)計時，針對小型便攜設(shè)備提出了不僅噪聲系數(shù)要小并且設(shè)備功耗要低的要求。鑒于低噪聲放大器通常采用電感源級負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，所以通常基于該結(jié)構(gòu)進行噪聲優(yōu)化。

用Qopt、Qs等品質(zhì)因數(shù)可表示 Gopt和 Gs：

基于上述公式及兩端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可得出噪聲系數(shù)函數(shù)為：

其中，a、gm、Qopt、Qs都與功耗有關(guān)，MOS 管的漏極電流表達(dá)式為：

表達(dá)式中：

其中，Cox參數(shù)為單位面積上柵氧化層電容參數(shù)值，μn為載流子的運動率參數(shù)值，Esat是順著溝道方向的載流子運動速度以半速度走行時在水平方向的電場參數(shù)值，Vod＝Vgs－Vt為驅(qū)動?xùn)艠O工作的電壓值。這樣可推導(dǎo)出功耗參數(shù)的表達(dá)式為：

另外有：

綜上所述，噪聲系數(shù)是基于參數(shù)ρ和PD作為自變量的函數(shù)。假設(shè)電路以高功率狀態(tài)運行時，那么該狀態(tài)下的ρ參數(shù)與1相差很遠(yuǎn)，由此推導(dǎo)最小的噪聲系數(shù)時需要滿足如下條件：

將式（10）代入到式（9）進行化簡，則可得到有功耗約束時對應(yīng)的最小噪聲系數(shù)Qs為：

當(dāng)確定了QsP后就可以得到噪聲最優(yōu)器件的溝道寬度表達(dá)式為：

從而得到在功耗約束范圍內(nèi)的噪聲系數(shù)為：

在進行低噪聲放大器設(shè)計時，利用以上方法能夠?qū)崿F(xiàn)功耗較低、噪聲較小。

1．2 共源共柵LNA電路

低噪聲放大器在設(shè)計上采用了共源共柵結(jié)構(gòu)，這樣就能夠保證輸入輸出端的隔離性和輸入輸出端的增益倍數(shù)及良好的噪聲特性。其中，MOS管采用了差分形式，兩個差分結(jié)構(gòu)的MOS管能夠?qū)⒊跏茧妷盒盘栕儞Q為電流信號，能夠維持其增益度。MOS管具有對調(diào)諧輸入和調(diào)諧輸出相互影響的抑制作用，這樣就保證了輸入端口和輸出端口之間被阻隔而不會發(fā)生相互影響，從而保證了由MOS管柵漏電容Cgd所引起的密勒效應(yīng)減弱。電路中的諧振部分由兩個差分電感組成，這樣既可以保證低噪聲放大器的負(fù)載，又能以低通濾波器的形式存在。

單邊低噪聲放大器的設(shè)計重點需要放在輸入匹配上，因為只有電路參數(shù)達(dá)到最佳匹配狀態(tài)時，才能實現(xiàn)放大器的噪聲參數(shù)最合理。完全忽略網(wǎng)絡(luò)情況時的輸入阻抗可以定義為：

1．3 低噪聲放大器的模塊設(shè)計

本文所研究的低噪聲放大器在設(shè)計上采用了三級放大結(jié)構(gòu)，器件選型十分關(guān)鍵，特別是輸入的第一級電路中的放大部分和濾波部分，本級噪聲指標(biāo)直接影響到整個噪聲放大器的質(zhì)量性能。

本文設(shè)計的低噪聲放大器，其三級結(jié)構(gòu)分別采用Avago管子、ATF－34143噪聲晶體管、HMC286集成低噪聲放大器。

放大器噪聲系數(shù)的級聯(lián)公式為：

根據(jù)上式可以初步計算出外置LNA的理論噪聲系數(shù)。

2 變頻混頻器

本文所設(shè)計的變頻混頻器采用了基于吉爾伯特的雙平衡電路。

2．1 變頻混頻器的核心電路

Gilbert變頻混頻器的核心電路包括了三個級別，即跨導(dǎo)級別、開關(guān)級別和負(fù)載級別，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 整體結(jié)構(gòu)

（1）跨導(dǎo)級的設(shè)計

跨導(dǎo)級中MOS管電路的作用是完成電壓信號與電流信號的轉(zhuǎn)換，其與混頻器的線性度直接關(guān)聯(lián)，并且和負(fù)載共同影響混頻器的轉(zhuǎn)換增益參數(shù)。由于跨導(dǎo)級和文中開始研究的低噪聲放大器的輸入結(jié)構(gòu)無差別，因此Gilbert混頻器的輸入可以認(rèn)為是低噪聲放大器。

由于本文設(shè)計的變頻混頻器是作為低噪聲放大器的負(fù)載，所以混頻器的輸入源阻抗本質(zhì)上可以認(rèn)為是低噪聲放大器的輸出阻抗。

（2）開關(guān)級的設(shè)計

跨導(dǎo)級直接影響混頻器的線性參數(shù)，而開關(guān)級直接影響混頻器的噪聲參數(shù)，因此提高LO的功率能夠優(yōu)化混頻器的噪聲效果。降低偏置電流的值能夠優(yōu)化噪聲效果，如果偏置電流過大則會導(dǎo)致噪聲特性變差。因此要保證信號驅(qū)動足夠強，應(yīng)使差分管運行在較優(yōu)的開關(guān)特性下。

在基礎(chǔ)信號作用下，為了保證NMOS管處于正常工作狀態(tài)，就需要控制NMOS管位于NMOS管截止區(qū)邊緣部分。當(dāng)基礎(chǔ)信號對M3～M6發(fā)生作用時，就能保證兩個NMOS管在恰當(dāng)時候工作在飽和區(qū)，同時另外兩個NMOS管處于截止?fàn)顟B(tài)。在基礎(chǔ)信號的驅(qū)動下，這兩對NMOS管以開關(guān)對形式交替導(dǎo)通和截止。

2．2 變頻混頻器輸出級電路

變頻混頻器的負(fù)載結(jié)構(gòu)比較簡單，性能可靠，對非線性現(xiàn)象有較好抑制作用，并且?guī)捯矟M足要求，其轉(zhuǎn)換增益表達(dá)式為：

從式（17）可以看出，有兩種方法可以提高轉(zhuǎn)換增益，即提高負(fù)載電阻值或增加直流偏置電流。選用大阻值電阻會引發(fā)電壓余度降低，會進一步導(dǎo)致晶體管進不了飽和區(qū)，并且由于電路存在電流源結(jié)構(gòu)，從而會對線性參數(shù)產(chǎn)生影響。

為了保證電壓余度足夠且同時提高增益，將MOS管作為負(fù)載就能夠?qū)崿F(xiàn)二者的兼顧，改進后的電路如圖3所示。

圖3 電流注入電路

這兩種電路的優(yōu)點鮮明，能夠在負(fù)載電阻工況下實現(xiàn)電壓余度與轉(zhuǎn)換增益的雙重保證。圖3為電流注入電路，會引起輸入MOS管漏極的寄生電容增大，并且與電阻復(fù)雜情況相比，線性程度也不夠好。圖4為電流源負(fù)載電路，其必須與共模反饋電路配合應(yīng)用，因此其電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度更高。

圖4 電流源負(fù)載電路

2．3 變頻混頻器的偏置電路

前面所提到的核心電路和輸出級電路都必須保證三個部分的電路都與偏置電路配合工作。電路與電壓偏置電路配合時，通過漏極電流與柵源電壓之間的關(guān)聯(lián)性，發(fā)現(xiàn)MOS管漏極電流的變化率與柵源電壓值之間呈現(xiàn)平方關(guān)系。所以與電壓偏置電路配合情況下，會引起其漏極電流的大幅度變化，同時跨導(dǎo)級的線性參數(shù)、噪聲參數(shù)等都會被影響。

本文設(shè)計的吉爾伯特混頻器電路由芯片自主產(chǎn)生偏置電壓，同樣可以實現(xiàn)與電流偏置電路相配合，這種配合方式能夠提供穩(wěn)定的電流給跨導(dǎo)級電路。

3 仿真分析

在仿真環(huán)境下，設(shè)定電源電壓為3．3V，設(shè)定輸入的射頻信號頻率為2491．75MHz，基礎(chǔ)信號設(shè)定為479．75MHz，則能夠得到中頻信號為12MHz條件下的混頻器輸出特性分別如圖5和圖6所示。

圖5 混頻器中頻輸出頻域特性

圖6 混頻器中頻輸出時域特性

圖7和圖8分別為噪聲系數(shù)和轉(zhuǎn)換增益的仿真測試結(jié)果圖。當(dāng)中頻輸出為12MHz時，噪聲系數(shù)能夠達(dá)到 20．47dB，轉(zhuǎn)換增益能夠達(dá)到 11．35dB，輸入IIP3交調(diào)點為6．82dBm，仿真結(jié)果完全滿足了性能指標(biāo)要求。

圖7 噪聲系數(shù)仿真結(jié)果

圖8 轉(zhuǎn)換增益仿真結(jié)果

4 結(jié)論

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將在全球通信領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，所以對北斗系統(tǒng)的終端射頻電路進行深入研究意義重大。而射頻芯片技術(shù)的關(guān)鍵就在于兩個部分，即低噪聲放大器和變頻混頻器。本文研究了基于差分輸入和差分輸出的低噪聲放大器工作原理，設(shè)計了低噪聲放大器并進行了設(shè)計驗證測試，也設(shè)計了基于吉爾伯特結(jié)構(gòu)的雙平衡混頻器。仿真結(jié)果表明，本文所進行的設(shè)計完全滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)要求。