应用于GPS频段低噪声放大器的设计

摘要：阐述了应用于GPS的低噪声放大器（Low Noise Amplifier ，LNA）的设计原理，并通过Advanced Design System（ADS）软件进行仿真，设计出了低噪声放大器。放大器第一级采用的是输入端最小噪声系数匹配，输出端采用的是最大增益匹配，而放大器第二级则采用最佳阻抗匹配法，使增益达到25±1dB，噪声系数小于0.7dB，输入输出驻波比小于2dB，各项参数均达到指标要求。

关键词：GPS；噪声系数；增益；驻波比

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）36-0251-03

GPS是全球定位系统（Global Positioning System）的简称。是美国国防部研制的一种为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务[1]。如今GPS 的应用已经获得了充分的发展，芯片技术的出现 ，使得 GPS 与其他通信工具可结合设计 。应用于 GPS 的低噪声放大器，也陆续出现了集成芯片。但其较高的市场价格在一定程度上限制了国内关于GPS射频技术方面的发展。文献[2]论述了GPS频段天线的设计，本文在ADS仿真环境下设计了一款应用于GPS导航系统接收机前端的低噪声放大器。

1 LNA设计的基本原理及关键因素

1.1 LNA设计的基本原理

LNA的设计旨在于为高频电路提供一个线性度高、噪声系数低的放大电路，为防止放大器产生震荡，电路稳定性的设计也很关键。对放大器噪声系数指标的影响因素有很多，除了对性能良好的元器件的选用之外，得当的电路设计拓扑结构也至关重要。为了获得较低的输出驻波比和良好的增益，输出端匹配网络则采用共扼匹配的方法[3]。设计放大器时尽可能低的噪声系数是首要考虑的，其次才考虑增益是否良好。因此，较低的噪声系数通过牺牲少许增益来换取是有必要的，两者之间应折中考虑。本文采用两级放大的方式来实现设计。

第一级放大电路按照最小噪声系数来选取最佳工作电流，这样可以使LNA具有更低的噪声系数。第二级放大电路应根据最佳增益条件以及最低噪声系数来确保足够的增益。输入输出端均采用单枝节微带线进行匹配 ，级间匹配则采用集总元件。

1.2 LNA设计的关键因素

1）放大器的稳定性

在所有放大器的设计中，对于在不同的源和负载的情况下，考虑电路的稳定性也是至关重要的。稳定性指的是放大器在周围环境变化比较大的条件下仍保持正常工作的能力特性。按照放大电路的不同，稳定性分为绝对稳定和条件稳定两种。放大器在稳定的情况下才能够完成正常的放大功能，因此通常在源极和地之间串联电感或者用一段微带线来代替电感构成负反馈，使放大器在带宽内能够无条件稳定。负反馈电路不仅能够在宽频带内降低输入、输出电压驻波比，而且能够使增益响应更加平坦。对于绝对稳定条件的判断方法，本文使用[K-Δ]法，当同时满足：[K>1]和[Δ<1]时，此时放大电路处于绝对稳定状态。判定公式为：

此公式只给出了判定绝对稳定的方法，而器件的稳定程度并未给出，我们可以采用单参数（u参数）来判定器件的稳定程度。单参数判定准则如下：

若[μ>1]，则有源器件处于绝对稳定状态；若[μ<1]，则有源器件处于不稳定或者潜在不稳定状态。[μ]越大，说明稳定性越好，因此在射频放大电路中电路的稳定性便可通过选择高[μ]值的有源器件来改善。

2） 低噪声系数的实现

噪声系数反映的是信号通过系统后，由系统内部噪声引起信噪比恶化的程度。通常噪声系数用分贝来表示 ，即

[Nf（dB）=10logNf]

噪声系数的基本定义是放大器输入和输出信噪比的比值。即

[NF=SinNinSoutNout]

对于n级的放大器级联电路，噪声级联公式为：

[F=F1+F2-1G1+F3-1G1G2+…+Fi-1G1G2…Gi-1+…]

由噪声系数级联公式可知，在接收机中，第一级放大器的噪声系数对系统的影响较大，所以系统的噪声特性是以第一级的特性为主的，而第二级放大器的影响会因为第一级放大器的增益而减弱。因此，第一级放大器有中等水平的增益和较低的噪声系数将会成为总系统达到最佳噪声性能的基本要求。

3）LNA的1dB压缩点

输出功率的 1dB压缩点[4] 是指增益比线性增益下降低于1dB时的输出功率的值。 放大器的线性度可以通过1dB压缩点来反映，放大器在某一个动态范围内是线性的，在这个动态范围内，输入功率增加时，输出功率随其线性增加。当输入功率的不断增大超出这个动态范围时，输入功率和输出功率将不再是线性关系增加的。

2 LNA的仿真设计及结果分析

2.1 设计指标

设计目标如下：工作频率：1575MHz，工作带宽：1575±5MHz ，噪声系数：NF < 0.7dB，增益：25±1dB，带内平坦度：±1dB，输入输出驻波比：VSWR<2dB。

2.2 仿真及其结果分析

1）偏置电路设计

ATF-54143在源漏极电流为30mA的静态工作点下，不仅能满足1.575GHz频点上的增益要求，而且可以得到最小的噪聲系数。由于该晶体管的封装上有两个栅极，故偏置电流Id应设置为60mA，通过计算得出偏置电阻R1=180Ω，R2=27Ω。

2）稳定性分析

本文使放大器达到稳定采用的是在源极加微带线的方法。并在频率为1.575GHz时，放大器的稳定性系数如图2所示：

3）匹配电路的设计

匹配电路的设计旨在于让馈线的特性阻抗在理论上与包括匹配网络在内的总负载输入阻抗相等，从而使信号源到负载传输的功率达到最大。因为噪声系数是第一级放大电路主要影响因子，所以第一级的输入端应采用最小噪声匹配，输出端则采用最大增益进行匹配，而第二级放大电路主要影响增益，所以第二级应采用最佳阻抗匹配[5_6]，由此可避免输入输出的相互影响。最小噪声系数和最大增益匹配法，在文献[7]中详细说明。

匹配网络的仿真原理图如图3所示：

4） LNA的ADS仿真原理图

因为增益要达到25dB以上，因此放大器采用两级级级联的方式搭建。由于衰减器有增加稳定性，改善射频电路阻抗匹配的作用，所以在第一、二级之间应插入一个 3dB的[∏]型电阻衰减器[8]，衰减器的输入和输出阻抗均设置为50Ω，这样一来匹配网络的匹配性能是不会因为衰减量的改变而受到影响，从而整个放大器的增益就可以灵活地调节。有源衰减电路和无源衰减电路是我们经常用到的，本文选择简单的无源电阻衰减网络。LNA的ADS仿真原理图如图4所示：

3 总结

本文设计了一款GPS导航系统接收机前端的低噪声放大器。该设计中的低噪声放大器采用的是两级级联结构，为了便于对输入输出驻波进行灵活调试，使用分立元件搭建电路。通过用ADS软件进行仿真，同时对整个仿真结果进行了分析。结论表明 ，该设计是完全符合指标要求的 。

参考文献：

[1] 孔庆亮.GPS和其他卫星导航系统性能分析及应用技术[C].太原： 中国航海学会通信导航专业委员会2004学术年会，2004.

[2] 商锋.用于卫星定位系统的矩形圆极化天线的研究[J]. 西安邮电学院学报， 2008， 13（3） ： 29-32.

[3] 廖成恩. 微波技术基础[M] . 西安： 西安电子科技大学出版社， 2005.

[4] DAVID M P. 微波工程[M].3版.张肇仪，周乐柱，译.北京： 电子工业出版社，2008.

[5] 范寿康，卢春兰，李平辉.微波技术与微波电路[M].北京：机械工业出版社，2005：135-200.

[6] 陈邦媛.射频通信电路[M].北京：科学出版社，2006：18-37.

[7] 徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京：电子工业出版社，2009：118-120.

[8] Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko著，射频电路设计-理论与应用[M]. 王子宇，等譯.北京：电子工业出版社，2002：119-205.

[9] 秦岭，商锋.GPS的低噪声放大器的设计[J].西安邮电学院学报，2010（7）.

[10] 余之喜，苏凯雄，陈俊.现代电子技术[J].北斗导航接收机LNA的设计与仿真，2012（3）.

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