航天GPS接收機(jī)的低噪聲放大器設(shè)計(jì)

航天GPS接收機(jī)的低噪聲放大器設(shè)計(jì)
北京清華大學(xué)宇航技術(shù)研究中心(100084) 楊春寶 張海云 白 潔
 
　　摘　要：介紹一種用于航天GPS接收機(jī)的無源微帶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。
　　關(guān)鍵詞：低噪聲放大器 航天GPS接收機(jī) 無源微帶天線

　　全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning 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1～2dBw。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 LNA設(shè)計(jì)
　　天線和LNA部分設(shè)計(jì)的框圖如圖1所示。各部分集成在一起,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LNA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)射天線安裝距離較近,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)選用MuRata公司的濾波器DFC21R57P002BHA,特性曲線如圖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1.15dB,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軟件優(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,選定微帶類型、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=12.7006mm;
　　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。
 

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SuperStar OEM接收機(jī)連接工作,得到跟蹤相同GPS衛(wèi)星時(shí)的載波噪聲比如表1所示。從表1中可見,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。
參考文獻(xiàn)
1 潘科炎. GPS在航天器導(dǎo)航和姿態(tài)確定領(lǐng)域的應(yīng)用前景.航天工業(yè)總公司五零二研究所, 1996.10
2 Elliott D.Kaplan著,邱致和,王萬義譯.GPS原理與應(yīng)用. 北京:電子工業(yè)出版社,2002.08
3 AM50-0002 Datasheet. http://www.macom.com/data/datasheet/AM50-0002_V5.pdf.