付小明

摘? ?要：文章介紹了一款應(yīng)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(shè)計步驟和指標，成功制作出實物，并利用網(wǎng)絡(luò)分析儀和噪聲分析儀等設(shè)備驗證了放大器性能。此放大器與陶瓷天線結(jié)合，并接入到GPS接收器，于空曠地帶測量了其接收GPS衛(wèi)星信號的性能。

關(guān)鍵詞：全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);低噪聲放大器;BFP420;自動化設(shè)備規(guī)范

1? ? 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Satellite Navigation System，GNSS）作為影響國家安全和經(jīng)濟的基礎(chǔ)設(shè)施，各軍事大國和經(jīng)濟體都爭相發(fā)展獨立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。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(tǒng)，而GPS為最先提出并成功運行的系統(tǒng)，起始于20世紀五六十年代的美國軍方，并逐漸發(fā)展。GPS提供了軍用和民用兩種不同服務(wù)，同時提供了實時、全天候和全球性的定位導(dǎo)航服務(wù)，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(dǎo)航;可為電力、郵電和通信等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)授時與校頻;可應(yīng)用于大地測量、地殼運動監(jiān)測、工程測量等各種高精度測量任務(wù)中[1]。

GPS系統(tǒng)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(wèi)星信號，經(jīng)前置放大濾波后，傳送到GPS專用芯片處理解算出定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)。目前，市面上主流GPS芯片有UBLOX，SIRF（現(xiàn)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(jù)級聯(lián)放大器的噪聲溫度公式，一個級聯(lián)系統(tǒng)中首級的噪聲性能尤為重要。所以本文設(shè)計第一級前置低噪聲放大器。

低噪聲放大器的主要技術(shù)指標有：噪聲系數(shù)、放大器增益和穩(wěn)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(guī)低頻電路的設(shè)計方法完成不同。本文將從工程應(yīng)用的角度一步一步來介紹射頻低噪聲放大器的設(shè)計。

確認以下技術(shù)條件和指標。工作頻率：1 575.42 MHz（GPS L1頻段）;噪聲系數(shù)：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(wěn)定條件：絕對穩(wěn)定;工作電壓：3 V。

目前，市面上射頻低噪聲放大器的生產(chǎn)廠家有很多，包括國內(nèi)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(shè)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(fā)設(shè)計的此類放大器，具有良好的性價比。

2? ? 放大器設(shè)計

2.1? 器件選型

此次設(shè)計選擇來自德國Infineon科技公司的產(chǎn)品BFP420，Infineon為全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司之一，其性能在業(yè)內(nèi)相當優(yōu)秀。

首先，訪問Infineon官網(wǎng)（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(guān)datasheet。可見BFP420作為NPN射頻晶體管，其性能符合設(shè)計指標要求，性價比相當不錯。

2.2? ADS仿真設(shè)計

2.2.1? 下載BFP420的ADS庫文件并安裝

從以下官網(wǎng)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(guān)ADS庫文件，并在ADS中用Design Kits安裝相應(yīng)庫文件。安裝成功后可以從工作界面選取相應(yīng)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(tǒng)基本工作在2.7～3.3 V，所以這里設(shè)計低噪聲放大器的工作電壓為3.0 V?？紤]到大部分GPS系統(tǒng)開機就會給LNA供電，因此從功耗以及晶體管的特性出發(fā)，選取的工作電流為4 mA。

2.2.3? 設(shè)計偏置電路

為了使放大器工作，需設(shè)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?shù)撵o態(tài)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(yīng)考慮到去耦。偏置電路種類很多，關(guān)于偏置電路的設(shè)計，ADS里有幾種方法，這里利用設(shè)計向?qū)В―esign Guide）來設(shè)計。

此過程利用Design Guide設(shè)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(yīng)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(jié)果Vce=1.99 V，Ic=4.17 mA。

2.2.4? 穩(wěn)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(zhuǎn)變?yōu)檎袷幤?。因此必須設(shè)計放大器使其工作狀態(tài)絕對穩(wěn)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(wěn)定的。

k為穩(wěn)定性因子，絕對穩(wěn)定要求：

k>1，

在ADS里對BFP420進行穩(wěn)定性分析，計算出目前設(shè)計的k為0.523，顯然小于1，放大器是不穩(wěn)定的。為了使其穩(wěn)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(xiàn)。先加入微帶線作為負反饋，由結(jié)果看出，穩(wěn)定性因子雖有所提升，但仍小于1，不穩(wěn)定?？煽紤]加一阻性負載，這一步驟在設(shè)計完輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)后再來增加。

2.2.5? 噪聲系數(shù)圓和輸入匹配

噪聲系數(shù)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(shù)就是噪聲系數(shù)，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(jù)級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)公式：

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

由于噪聲系數(shù)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(shè)計是為了獲取最小噪聲系數(shù)。

在ADS中仿真噪聲系數(shù)，等噪聲圓獲取最小噪聲的輸入阻抗值。根據(jù)阻抗共軛匹配并利用ADS的匹配設(shè)計工具，設(shè)計輸入匹配網(wǎng)絡(luò)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(wù)就是對輸入信號進行放大。放大器的轉(zhuǎn)換功率增益定義為：

Γs為源反射系數(shù)，Γin為輸入反射系數(shù)，ΓL為負載反射系數(shù)。

輸入匹配網(wǎng)絡(luò)是為了獲取最小噪聲系數(shù)，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(jù)阻抗共軛，設(shè)計輸出匹配網(wǎng)絡(luò)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(wěn)定，所以增加一15 Ω的R3電阻用于改善穩(wěn)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(shè)計和運行仿真結(jié)果如圖1所示。仿真運行結(jié)果如表1所示。

2.3? 版圖PCB設(shè)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?shù)奈⒄{(diào)，采用穩(wěn)壓電壓MATRIX MPS-3003D，數(shù)字萬用表Agilent 34 401 A，網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent 8753ES和噪聲分析儀 HP8970B測量，觀察實際測量結(jié)果（見表2），表明設(shè)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(jié)果如圖2所示，圖2中的G17，G19和G2等表示衛(wèi)星編號，A柱表示該衛(wèi)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(shù)為11顆衛(wèi)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(wèi)星中超過40 dBHz的顆數(shù)達到9顆，所以，該設(shè)計收星效果良好，定位正常。

3? ? 結(jié)語

本文設(shè)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(guī)設(shè)計為兩級放大，而第二級放大器則以最大增益為出發(fā)點設(shè)計。本文只考慮了GPS L1這一頻段，后續(xù)可進一步用于設(shè)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(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]米斯拉，恩格.全球定位系統(tǒng)—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(yè)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(shè)計基礎(chǔ)與典型應(yīng)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(shè)計—理論與應(yīng)用[M].2版.王子宇，王心悅，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2013.