航天GPS接收机的低噪声放大器设计---free

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航太GPS接收機的低雜訊放大器設計
北京清華大學宇航技術研究中心(100084) 楊春寶 張海雲 白 潔



　　摘　要：介紹一種用於航太GPS接收機的無源微帶天線的低雜訊放大器設計。內容涉及選擇低雜訊放大器的輸入匹配網路及優化匹配參數;並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於已有的星載GPS接收機天線。


　　關鍵字：低雜訊放大器 航太GPS接收機 無源微帶天線



　　全球定位系統GPS(Global Positioning System)是一種無源定位系統,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接收機的單點即時定位精度不低於地面的應用水平。GPS的航太應用正影響著未來航天器系統的結構。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能夠完成多種感測器完成的功能,測定航天器的航跡、姿態、時間參數及航天器間的相對距離,最終結果可以使航天器上的感測器附件數量減少,增強航天器在軌自主運行的能力[1]。
　　本航太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],有用信號淹沒在熱雜訊信號中。在LEO軌道,考慮自由空間傳播損耗和大氣損耗都小於地面應用,所以GPS信號功率比地面大1～2dBw。接收機接收到的信號經下變頻後,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晶片的輸入要求,所以要用低雜訊放大器對天線接收信號進行放大。低雜訊放大器要滿足增益要求且雜訊係數儘量小。
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,減小雜訊係數。根據所設計航太GPS接收機的航太應用特點,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。


　　航太GPS接收機的低雜訊前置放大器採用AM50-0002低雜訊放大器進行設計。AM50-0002的雜訊係數為1.15dB,標稱增益27dB,一片晶片即可滿足要求[3]。AM50-0002的管腳連接圖與輸入匹配參數如圖3所示。考慮到使用微帶實現輸入匹配的複雜性,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輸入匹配。輸入匹配的電感網路和電感參數用ADS軟體優化得到。

2 匹配網路和參數優化
　　(1)計算微帶T1、T2的參數
　　用微波EDA工具軟體ADS2002計算微帶T1、T2的參數。執行命令ADS2002→Tools→LineCalc,選定微帶類型、襯底參數(substrate parameters)和工作頻率,在電參數(Elactrical)下填寫圖3中的阻抗和電長度,執行合成(Synthesize),從物理參數(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)計算單埠S參數
　　根據圖4所示原理圖,將微帶設置為(1)中得到的參數,微帶類型、襯底參數和工作頻率與(1)保持一致,計算得到單埠S參數為S(1,1)=0.756/62.140。

　　(3)確定電感匹配網路
　　嘗試不同的電感匹配網路,根據匹配結果確定匹配網路如圖5所示。
　　(4)優化匹配參數
　　原理電路如圖5所示, 將S(1,1)=0.756/62.140作為優化目標,優化理想電感L1、L2的參數。優化計算36步後得到結果。此時S參數為S(1,1)=0.758/62.042,得到的理想電感參數為:L1=4.986nH,L2=5.302nH。

3 實測結果
　　本設計得到的天線與其他兩種天線分別和SuperStar OEM接收機連接工作,得到跟蹤相同GPS衛星時的載波雜訊比如表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,好於已有的工程星GPS接收機天線。


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航太GPS接收機的低雜訊放大器設計
北京清華大學宇航技術研究中心(100084) 楊春寶 張海雲 白 潔



　　摘　要：介紹一種用於航太GPS接收機的無源微帶天線的低雜訊放大器設計。內容涉及選擇低雜訊放大器的輸入匹配網路及優化匹配參數;並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於已有的星載GPS接收機天線。


　　關鍵字：低雜訊放大器 航太GPS接收機 無源微帶天線



　　全球定位系統GPS(Global Positioning System)是一種無源定位系統,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接收機的單點即時定位精度不低於地面的應用水平。GPS的航太應用正影響著未來航天器系統的結構。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能夠完成多種感測器完成的功能,測定航天器的航跡、姿態、時間參數及航天器間的相對距離,最終結果可以使航天器上的感測器附件數量減少,增強航天器在軌自主運行的能力[1]。
　　本航太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],有用信號淹沒在熱雜訊信號中。在LEO軌道,考慮自由空間傳播損耗和大氣損耗都小於地面應用,所以GPS信號功率比地面大1～2dBw。接收機接收到的信號經下變頻後,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晶片的輸入要求,所以要用低雜訊放大器對天線接收信號進行放大。低雜訊放大器要滿足增益要求且雜訊係數儘量小。
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,減小雜訊係數。根據所設計航太GPS接收機的航太應用特點,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。


　　航太GPS接收機的低雜訊前置放大器採用AM50-0002低雜訊放大器進行設計。AM50-0002的雜訊係數為1.15dB,標稱增益27dB,一片晶片即可滿足要求[3]。AM50-0002的管腳連接圖與輸入匹配參數如圖3所示。考慮到使用微帶實現輸入匹配的複雜性,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輸入匹配。輸入匹配的電感網路和電感參數用ADS軟體優化得到。

2 匹配網路和參數優化
　　(1)計算微帶T1、T2的參數
　　用微波EDA工具軟體ADS2002計算微帶T1、T2的參數。執行命令ADS2002→Tools→LineCalc,選定微帶類型、襯底參數(substrate parameters)和工作頻率,在電參數(Elactrical)下填寫圖3中的阻抗和電長度,執行合成(Synthesize),從物理參數(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)計算單埠S參數
　　根據圖4所示原理圖,將微帶設置為(1)中得到的參數,微帶類型、襯底參數和工作頻率與(1)保持一致,計算得到單埠S參數為S(1,1)=0.756/62.140。

　　(3)確定電感匹配網路
　　嘗試不同的電感匹配網路,根據匹配結果確定匹配網路如圖5所示。
　　(4)優化匹配參數
　　原理電路如圖5所示, 將S(1,1)=0.756/62.140作為優化目標,優化理想電感L1、L2的參數。優化計算36步後得到結果。此時S參數為S(1,1)=0.758/62.042,得到的理想電感參數為:L1=4.986nH,L2=5.302nH。

3 實測結果
　　本設計得到的天線與其他兩種天線分別和SuperStar OEM接收機連接工作,得到跟蹤相同GPS衛星時的載波雜訊比如表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,好於已有的工程星GPS接收機天線。


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