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(多图) 航天GPS接收机的低噪声放大器设计

来源:电子技术应用/北京清华大学宇航技术研究中心 杨春宝 张海云 白 洁?? 2006年05月26日 ?? 收藏0
??????? 全球定位系统GPS(Global Positioning System)是一种无源定位系统,对海陆空天的运动和静止载体都可应用。研究资料表明,在900km以下的近地轨道,GPS接收机的单点实时定位精度不低于地面的应用水平。GPS的航天应用正影响着未来航天器系统的结构。GPS技术在航天器上的应用,对航天器成本、功耗、重量的降低有显著的效果。GPS能够完成多种传感器完成的功能,测定航天器的航迹、姿态、时间参数及航天器间的相对距离,最终结果可以使航天器上的传感器附件数量减少,增强航天器在轨自主运行的能力[1]。

  本航天GPS接收机是L1 C/A码导航型接收机,只接收L1 C/A信号。对地面应用的接收机,L1 C/A信号的最低接收功率为-160.0dBw[2],有用信号淹没在热噪声信号中。在LEO轨道,考虑自由空间传播损耗和大气损耗都小于地面应用,所以GPS信号功率比地面大1~2dBw。接收机接收到的信号经下变频后,在较低的中频频率进行基带处理。通常无源天线接收的信号强度不满足变频器芯片的输入要求,所以要

低噪声放大器对天线接收信号进行放大。低噪声放大器要满足增益要求且噪声系数尽量小。

?????? 1 LNA设计

  天线和LNA部分设计的框图如图1所示。各部分集成在一起,以降低馈线损耗,减小噪声系数。根据所设计航天GPS接收机的航天应用特点,选用Micropulse1621LW 无源天线,它简单、坚固、体积小,适合安装在微小卫星上。在接收机天线处,GPS信号非常微弱,带外射频信号影响LNA和射频前端工作,造成信号失真。尤其当GPS天线与射频发射天线安装距离较近,射频天线的辐射可能导致器件饱和而使GPS接收机不能正常工作。所以需要射频滤波器抑制带外信号,本设计选用MuRata公司的滤波器DFC21R57P002BHA,特性曲线如图2所示。
??????????????????? 天线和LNA部分设计的框图

???????????????????? DFC21R57P002BHA特性曲线
  航天GPS接收机的低噪声前置放大器采用AM50-0002低噪声放大器进行设计。AM50-0002的噪声系数为1.15dB,标称增益27dB,一片芯片即可满足要求[3]。AM50-0002的管脚连接图与输入匹配参数如图3所示。考虑到使用微带实现输入匹配的复杂性,以及1.575GHz频率下微波电感的适用性,设计中用微波电感实现输入匹配。输入匹配的电感网络和电感参数用ADS软件优化得到。
??????????? AM50

?????? 2 匹配网络和参数优化

  (1)计算微带T1、T2的参数

  用微波EDA工具软件ADS2002计算微带T1、T2的参数。执行命令ADS2002→Tools→LineCalc,选定微带类型、衬底参数(substrate parameters)和工作频率,在电参数(Elactrical)下填写图3中的阻抗和电长度,执行合成(Synthesize),从物理参数(Physical)下得到微带的宽度W和长度L。对图3中的T1、T2的计算结果如下:

  T1 W="2".08512mm, L="12".7006mm;

  T2 W="1".04589mm, L="5".85184mm。

  (2)计算单端口S参数

  根据图4所示原理图,将微带设置为(1)中得到的参数,微带类型、衬底参数和工作频率与(1)保持一致,计算得到单端口S参数为S(1,1)=0.756/62.140。
????????????? 原理图
  (3)确定电感匹配网络

  尝试不同的电感匹配网络,根据匹配结果确定匹配网络如图5所示。
? 根据匹配结果确定匹配网络

点击看原图


  (4)优化匹配参数

  原理电路如图5所示, 将S(1,1)=0.756/62.140作为优化目标,优化理想电感L1、L2的参数。优化计算36步后得到结果。此时S参数为S(1,1)=0.758/62.042,得到的理想电感参数为:L1=4.986nH,L2=5.302nH。


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低噪声? 放大器? GPS? 接收机?

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