航天GPS接收機的低噪聲放大器設計

航天GPS接收機的低噪聲放大器設計
北京清華大學宇航技術研究中心(100084) 楊春寶 張海云 白 潔
 
　　摘　要：介紹一種用于航天GPS接收機的無源微帶天線的低噪聲放大器設計。內容涉及選擇低噪聲放大器的輸入匹配網(wǎng)絡及優(yōu)化匹配參數(shù);并通過實際測試驗證了它在天線中應用的有效性。實驗結果表明性能優(yōu)于已有的星載GPS接收機天線。
　　關鍵詞：低噪聲放大器 航天GPS接收機 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),對海陸空天的運動和靜止載體都可應用。研究資料表明,在900km以下的近地軌道,GPS接收機的單點實時定位精度不低于地面的應用水平。GPS的航天應用正影響著未來航天器系統(tǒng)的結構。GPS技術在航天器上的應用,對航天器成本、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,測定航天器的航跡、姿態(tài)、時間參數(shù)及航天器間的相對距離,最終結果可以使航天器上的傳感器附件數(shù)量減少,增強航天器在軌自主運行的能力[1]。
　　本航天GPS接收機是L1 C/A碼導航型接收機,只接收L1 C/A信號。對地面應用的接收機,L1 C/A信號的最低接收功率為-160.0dBw[2],有用信號淹沒在熱噪聲信號中。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用,所以GPS信號功率比地面大1～2dBw。接收機接收到的信號經(jīng)下變頻后,在較低的中頻頻率進行基帶處理。通常無源天線接收的信號強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天線接收信號進行放大。低噪聲放大器要滿足增益要求且噪聲系數(shù)盡量小。
1 LNA設計
　　天線和LNA部分設計的框圖如圖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)所設計航天GPS接收機的航天應用特點,選用Micropulse1621LW 無源天線,它簡單、堅固、體積小,適合安裝在微小衛(wèi)星上。在接收機天線處,GPS信號非常微弱,帶外射頻信號影響LNA和射頻前端工作,造成信號失真。尤其當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致器件飽和而使GPS接收機不能正常工作。所以需要射頻濾波器抑制帶外信號,本設計選用MuRata公司的濾波器DFC21R57P002BHA,特性曲線如圖2所示。

 
　　航天GPS接收機的低噪聲前置放大器采用AM50-0002低噪聲放大器進行設計。AM50-0002的噪聲系數(shù)為1.15dB,標稱增益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]到使用微帶實現(xiàn)輸入匹配的復雜性,以及1.575GHz頻率下微波電感的適用性,設計中用微波電感實現(xiàn)輸入匹配。輸入匹配的電感網(wǎng)絡和電感參數(shù)用ADS軟件優(yōu)化得到。

 
2 匹配網(wǎng)絡和參數(shù)優(yōu)化
　　(1)計算微帶T1、T2的參數(shù)
　　用微波EDA工具軟件ADS2002計算微帶T1、T2的參數(shù)。執(zhí)行命令ADS2002→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和長度L。對圖3中的T1、T2的計算結果如下:
　　T1 W=2.08512mm, L=12.7006mm;
　　T2 W=1.04589mm, L=5.85184mm。
　　(2)計算單端口S參數(shù)
　　根據(jù)圖4所示原理圖,將微帶設置為(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
　　嘗試不同的電感匹配網(wǎng)絡,根據(jù)匹配結果確定匹配網(wǎng)絡如圖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,優(yōu)化理想電感L1、L2的參數(shù)。優(yōu)化計算36步后得到結果。此時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 實測結果
　　本設計得到的天線與其它兩種天線分別和SuperStar OEM接收機連接工作,得到跟蹤相同GPS衛(wèi)星時的載波噪聲比如表1所示。從表1中可見,本設計得到的天線與地面應用中常用的SM25天線性能相近,好于已有的工程星GPS接收機天線。
參考文獻
1 潘科炎. GPS在航天器導航和姿態(tài)確定領域的應用前景.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.