基于卫星导航系统的低噪声放大器设计

陈 莽 张 更

北京航天长征飞行器研究所 ，北京 100076

1 概述

低噪声微波放大器(LNA)已广泛应用于微波通信、GPS接收机、遥感遥控、雷达、电子对抗及各种高精度的微波测量系统中，是必不可少的重要电路。低噪声放大器位于射频接收系统的前端，其主要功能是将来自天线的低电压信号进行小信号放大。前级放大器的噪声系数对整个微波系统的噪声影响最大，它的增益将决定对后级电路的噪声抑制程度。应用于导航接收系统中的LNA，要求噪声低、可靠性高，考虑到复杂的电磁环境，要对大功率的S波段遥测信号进行干扰抑制。

2 设计基本思路

2.1 低噪声放大器的理论

LNA的性能指标主要是噪声系数、增益、工作频带及电压驻波比等,尤其是噪声系数和增益对整机性能影响较大。要实现理想功率传输,必须使负载阻抗与源阻抗相匹配,这就需要插入匹配网络。放大管存在最佳源阻抗Zsopt,LNA的输入端应按Zsopt进行匹配,此时放大器的噪声系数为最小,称为最佳噪声匹配。而为了获得较高的功率增益和较好的输出驻波比,输出端采用输出共轭匹配。如果增益不够,需采用多级放大电路。

噪声系数F为输入信噪比比输出信噪比。信号通过放大器后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏，信噪比下降的倍数就是噪声系数。

Si，So，Ni和No分别为放大器输入和输出的信号功率和噪声功率；G为放大器增益。一个具有增益G1,G2，…，Gn和噪声系数为F1,F2，…，Fn的n级串接级联的放大器的噪声系数为:

F为放大器整机的噪声系数，Fn为放大器第n级的噪声系数，Gn-1为放大器第n-1级的增益，K为放大器后续级的噪声系数与噪声因子的关系式。可以看出级联放大器的噪声系数主要由第一级的噪声系数决定，为了获得尽可能低的噪声系数，第一级放大器必须实现最佳噪声输入匹配电路设计。

2.2 放大器的设计思路

LNA的综合设计包括如下几个方面:电路形式的选择、器件的选择、匹配网络设计和偏置电路设计和优化设计。

由于增益较高，本文设计的LNA由两级放大电路组成。根据对遥测信号的陷波要求，在导航信号进入放大芯片前，采取遥测信号陷波技术，对遥测信号进行抑制，防止功率大的遥测信号阻塞放大电路。输入匹配电路，利用斯密斯圆图进行匹配设计。该设计匹配电路是采用集总参数元件实现，在获得低噪声的前提下，很容易获得纯50Ω 的电阻性阻抗电路和优异的驻波比。电源采用5V 直流电压供电。放大器的结构框图如图1 所示。

图1 放大器的结构框图

3 低噪声放大器设计

3.1 设计指标

本LNA应用于某卫星导航系统中，主要指标为:

工作频率：1550～1609MHz;

噪声系数NF≤1.5dB;

增益 :32dB～36dB；

S波段陷波抑制：≥20dB。

3.2 S波段陷波电路

S波段遥测陷波采用电感和电容组合形成低通陷波器，由于对遥测信号的抑制要大于20dB，在放大芯片前端采用两阶低通陷波设计，对遥测信号进行陷波。其遥测信号低通陷波原理图如图3所示。

图2 遥测信号低通陷波原理图

3.3 放大器电路

前级放大器相对注重噪声性能,输入端针对最佳噪声系数要求设计匹配电路,不要求增益太高。后级放大器则相对注重增益性能,适当降低对噪声系数的要求。即输出端口和级间针对增益最大和平坦度进行匹配电路设计。

设计时，放大电路一级放大芯片选择HMC618LP3，其放大增益为21dB，噪声系数为0.8dB；二级放大芯片选择SGA3563，其放大增益为23dB，噪声系数为2.5dB。低噪声放大器HMC618-LP3设计为工作电压3.3V。设计噪声系数F为1.2dB，放大器增益34dB。

低噪声放大器原理如图3所示。

4 实测结果及分析

根据以上设计分析，原材料选用美国Rogers公司双面覆铜介质基板Rogers4350，介电常数：3.38；厚度：0.5mm，进行了硬件的加工并测试。LNA的PCB板如图4所示。

S波段遥测信号的陷波实测曲线如图5所示，增益测试曲线如图6所示。

图3 低噪声放大器原理图

图4 LNA的PCB板

图5 遥测信号的陷波测试曲线

图6 增益测试曲线

根据图5可以得出，陷波衰减能达到25dB以上，陷波损耗约为0.3dB。根据图6可以得出，放大器的增益33.4dB,通过遥测信号的陷波设计，使得放大器在遥测工作频带处的增益迅速下降,放大器的增益曲线显示放大器有“滤波放大”的作用，对遥测信号抑制能达到25dB以上。经噪声仪测试，其噪声系数为1.2dB。通过以上测试分析显示实际测试值与设计指标要求一致，达到了设计要求。

5 结论

根据导航系统对L波段低噪声放大器的指标要求，选择合适的电路拓扑、元器件和板材，通过对遥测信号的陷波设计，采用封闭盒体结构等方法，在设计上提高放大器的环境适应能力和系统抗干扰特性。最终通过实测验证了该方案的可行性,测试结果与设计结果吻合较好。这里的创新点是采用遥测信号陷波技术，L波段低噪声放大器具有增益高、噪声系数小及对S波段信号抑制等优点，可广泛应用于微波通信、卫星导航通信等各种电子设备中。

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