北斗導航接收機LNA的設計與仿真

摘要：為了實現北斗衛星導航接收機射頻前端的研制，根據接收機射頻模塊系統指標要求，包括增益、噪聲系數、靈敏度等關鍵指標要求，提出一種基于ATF54143的LNA設計方案，采用兩級結構，源極傳輸線負反饋穩定技術，實現輸入最佳噪聲匹配，輸出共軛匹配設計，并用ADS軟件進行仿真，得到增益32 dB，噪聲系數0．45dB，輸入駐波比1．5。
關鍵詞：北斗導航；接收機；射頻前端；低噪聲放大器

0 引言
北斗導航系統是我國獨立研制開發的衛星導航定位通信系統，可以對我國領土、領海及周邊地區的用戶進行定位及定時授時，并且可以實現各用戶之間、用戶與中心控制站之間的簡短報文通信。
作為衛星定位導航接收機系統關鍵部分的射頻模塊，主要包含接收與發射兩大部分。接收部分的主要功能是接收來自多顆衛星的微弱的S波段微波信號，并將其進行低噪聲放大、濾波和下變頻后形成中頻信號，送給后端處理模塊；發射部分則將本機的短信息經過調制、上變頻和放大后形成大功率的L波段射頻信號，再通過天線發送給衛星。因此，射頻模塊的高性能、高可靠性是保證整機正常工作的前提。
本文根據系統指標要求，提出一種基于ATF54143的LNA設計方案，并用ADS軟件進行了仿真。

1 接收機低噪聲放大器指標要求
射頻前端是所有無線電接收機中最關鍵的組成部分，射頻前端的設計一直是無線電接收機中最關鍵的環節。“北斗”信號到達地面的最低功率為-127．6 dBm，正常時為-116．8 dBm，載波頻率為2 491．75 MHz，帶寬為8．16 MHz。設計的接收機要保證系統存大部分時間內都能對衛星信號進行有效地捕獲，這樣設定接收機的靈敏度為-118 dBm。現在北斗接收機射頻芯片的最低輸入信號功率一般為-100dBm，所以LNA增益需要大于18 dB，考慮一定的余量，增益沒計為30 dB。為了實現正常的OQPSK解調，射頻接收部分輸出給基帶部分的信噪比為-17dB，根據北斗接收機的靈敏度要求，可以得到北斗接收機的最大噪聲系數為3．8 dB。前端低噪聲放大器的指標要求如表1所示。

2 基于ATF54143的低噪聲放大器設計
2．1 偏置電路設計
偏置電路是放大器不可缺少的電路單元，偏置的作用是在特定的工作條件下為有源器件提供適當的靜態工作點，并抑制晶體管參數的離散性以及溫度變化的影響，從而保持恒定的工作特性。如果偏置電路設計不當，會影響電路的噪聲系數及功率增益等參數。從ATF-54143手冊可以看出，該放大管在源漏極電流20 mA靜態工作點下，在2．4GHz頻點上的最大功率增益是16．5 dB，可以得到最小的噪聲系數為0．4 dB。
由于ATF54143的封裝上有兩個柵極，因此偏置電流ID，設計為40 mA，通過計算可以得到偏置電阻R1=337Ω，R2=38Ω。
2．2 穩定性分析
放大器電路必須滿足的首要條件之一是其在工作頻帶內的穩定性，當一個射頻放大器工作在不穩定區域時，該電路就無法完成正常的放大作用，反而會出現振蕩信號。穩定性意味著反射系數的模小于1，即：

一般晶體管的S11和S22參數的模小于1，S12不為0，不能把晶體管視為單向性元件，輸入反射系數不僅和S11有關系，同時和負載反射系數ΓL有關，不合適的負載，有可能使|Γin|>1，導致輸入端不穩定；同理，不合適的源反射系數Γs，有可能使|Γout|>1，導致輸出端不穩定。