航天GPS接收機(jī)的低噪聲放大器設(shè)計(jì)

   摘要：介紹一種用于航天GPS接收機(jī)的無源微天線的低噪聲放大器設(shè)計(jì)。內(nèi)容涉及選擇低噪聲放大器的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)及優(yōu)化匹配參數(shù)；并通過實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了它在天線中應(yīng)用的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明性能優(yōu)于已有的星載GPS接收機(jī)天線。

全球定位系統(tǒng)GPS（Global Postitioning System）是一種無源定位系統(tǒng)，對(duì)海陸空天的運(yùn)動(dòng)和靜止載體都可應(yīng)用。研究資料表明，在900km以下的近地軌道，GPS接收機(jī)的單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位精度不低于地面的應(yīng)用水平。GPS的航天應(yīng)用正影響著未來航天器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。GPS技術(shù)在航天器上的應(yīng)用，對(duì)航天器成本、功耗、重量的降低有顯著的效果。GPS能夠完成多種傳感器完成的功能，測(cè)定航天器的航跡、姿態(tài)、時(shí)間參數(shù)及航天器間的相對(duì)距離，最終結(jié)果可以使航天器上的傳感器附件數(shù)量減少，增強(qiáng)航天器在軌自主運(yùn)行的能力[1]。

    本航天GPS接收機(jī)是L1 C/A碼導(dǎo)航型接收機(jī)，只接收L1 C/A信號(hào)。對(duì)地面應(yīng)用的接收機(jī)，L1 C/A信號(hào)的最低接收功率為-160.0dBw[2]，有用信號(hào)淹沒在熱噪聲信號(hào)中。在LEO軌道，考慮自由空間傳播損耗和大氣損耗都小于地面應(yīng)用，所以GPS信號(hào)功率比地面大1～7dBw。接收機(jī)接收到的信號(hào)經(jīng)下變頻后，在較低的中頻頻率進(jìn)行基帶處理。通常無源天線接收的信號(hào)強(qiáng)度不滿足變頻器芯片的輸入要求，所以要用低噪聲放大器對(duì)天線接收信號(hào)進(jìn)行放大。低噪聲放大器要滿足增益要求且噪聲系數(shù)盡量小。

1 LAN設(shè)計(jì)

天線和LAN部分設(shè)計(jì)的框圖如圖1所示。各部門集成在一起，以降低饋線損耗，減小噪聲系數(shù)。根據(jù)所設(shè)計(jì)航天GPS接收機(jī)的航天應(yīng)用特點(diǎn)，選用Micropulse1621LW無源天線，它簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、體積小，適合安裝在微小衛(wèi)星上。在接收機(jī)天線處，GPS信號(hào)非常微弱，帶外射頻信號(hào)影響LAN和射頻前端工作，造成信號(hào)失真。尤其當(dāng)GPS天線與射頻發(fā)頻天線安裝距離較近，射頻天線的輻射可能導(dǎo)致器件飽和而使GPS接收機(jī)不能正常工作。所以需要射頻濾波器抑制帶外信號(hào)，本設(shè)計(jì)選MuRata公司的濾波器DFC21R57P002HA，特性同線如圖2所示。

    航天GPS接收機(jī)的低噪聲前置放大器采用AM50-0002低噪聲放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)。AM50-0002的噪聲系數(shù)為1.15B，標(biāo)稱增益27dB，一片芯片即可滿足要求[3]。AM50-0002的管腳連接圖與輸入匹配參數(shù)如圖3所示?？紤]到使用微帶實(shí)現(xiàn)輸入匹配的復(fù)雜性，以及1.575GHz頻率下微波電感的適用性，設(shè)計(jì)中用微波電感實(shí)現(xiàn)輸入匹配。輸入匹配的電感網(wǎng)絡(luò)和電感參數(shù)用ADS優(yōu)化優(yōu)化得到。

2 匹配網(wǎng)絡(luò)和參數(shù)優(yōu)化

(1)計(jì)算微帶T1、T2的參數(shù)

用微波EDA工具軟件ADS2002計(jì)算微帶T1、T2的參數(shù)。執(zhí)行命令A(yù)DS2002→Tools→LineCalc，選定微定類型、襯底參數(shù)（substrate parameters）和工作頻率，在電參數(shù)（Elactrical）下填寫圖3中的阻抗和電長(zhǎng)度，執(zhí)行合成（Synthesize），從物理參數(shù)（Physical）下得到微帶的寬度W和長(zhǎng)度L。對(duì)圖3中的T1、T2的計(jì)算結(jié)果如下：

T1 W=2.08512mm,L=12.7706mm;

T2 W=1.04589mm,L=5.85184mm。

    （2）計(jì)算單端口S參數(shù)

根據(jù)圖4所示原理圖，將微帶設(shè)置為（1）中得到的參數(shù)，微帶類型、襯底參數(shù)和工作頻率與（1）保持一致，計(jì)算得到單端口S參數(shù)為S（1，1）=0.756/62.140。

（3）確定電感匹配網(wǎng)絡(luò)

嘗試不同的電感匹配網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)匹配結(jié)果確定匹配網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

    （4）優(yōu)化匹配參數(shù)

原理電路如圖5所示，將S（1，1）=0.756/62.140作為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化理想電感L1、L2的參數(shù)。優(yōu)化計(jì)算36步后得到結(jié)果。此時(shí)S參數(shù)為S（1，1）=0.758/62.042，得到的理想電感參數(shù)為：L1=4.986nH,L2=5.302nH。

圖5

    3 實(shí)測(cè)結(jié)果

本設(shè)計(jì)得到的天線與其它兩種天線分別和Super Star OEM接收機(jī)連接工作，本設(shè)計(jì)得到的天線與地面應(yīng)用中常用的SM25天線性能相近，好于已有的工程星GPS接收機(jī)天線。