北斗导航接收机LNA的设计与仿真

摘要：为了实现北斗卫星导航接收机射频前端的研制，根据接收机射频模块系统指标要求，包括增益、噪声系数、灵敏度等关键指标要求，提出一种基于ATF54143的LNA设计方案，采用两级结构，源极传输线负反馈稳定技术，实现输入最佳噪声匹配，输出共轭匹配设计，并用ADS软件进行仿真，得到增益32 dB，噪声系数0．45dB，输入驻波比1．5。
关键词：北斗导航；接收机；射频前端；低噪声放大器

0 引言
北斗导航系统是我国独立研制开发的卫星导航定位通信系统，可以对我国领土、领海及周边地区的用户进行定位及定时授时，并且可以实现各用户之间、用户与中心控制站之间的简短报文通信。
作为卫星定位导航接收机系统关键部分的射频模块，主要包含接收与发射两大部分。接收部分的主要功能是接收来自多颗卫星的微弱的S波段微波信号，并将其进行低噪声放大、滤波和下变频后形成中频信号，送给后端处理模块；发射部分则将本机的短信息经过调制、上变频和放大后形成大功率的L波段射频信号，再通过天线发送给卫星。因此，射频模块的高性能、高可靠性是保证整机正常工作的前提。
本文根据系统指标要求，提出一种基于ATF54143的LNA设计方案，并用ADS软件进行了仿真。

1 接收机低噪声放大器指标要求
射频前端是所有无线电接收机中最关键的组成部分，射频前端的设计一直是无线电接收机中最关键的环节。“北斗”信号到达地面的最低功率为-127．6 dBm，正常时为-116．8 dBm，载波频率为2 491．75 MHz，带宽为8．16 MHz。设计的接收机要保证系统存大部分时间内都能对卫星信号进行有效地捕获，这样设定接收机的灵敏度为-118 dBm。现在北斗接收机射频芯片的最低输入信号功率一般为-100dBm，所以LNA增益需要大于18 dB，考虑一定的余量，增益没计为30 dB。为了实现正常的OQPSK解调，射频接收部分输出给基带部分的信噪比为-17dB，根据北斗接收机的灵敏度要求，可以得到北斗接收机的最大噪声系数为3．8 dB。前端低噪声放大器的指标要求如表1所示。

2 基于ATF54143的低噪声放大器设计
2．1 偏置电路设计
偏置电路是放大器不可缺少的电路单元，偏置的作用是在特定的工作条件下为有源器件提供适当的静态工作点，并抑制晶体管参数的离散性以及温度变化的影响，从而保持恒定的工作特性。如果偏置电路设计不当，会影响电路的噪声系数及功率增益等参数。从ATF-54143手册可以看出，该放大管在源漏极电流20 mA静态工作点下，在2．4GHz频点上的最大功率增益是16．5 dB，可以得到最小的噪声系数为0．4 dB。
由于ATF54143的封装上有两个栅极，因此偏置电流ID，设计为40 mA，通过计算可以得到偏置电阻R1=337Ω，R2=38Ω。
2．2 稳定性分析
放大器电路必须满足的首要条件之一是其在工作频带内的稳定性，当一个射频放大器工作在不稳定区域时，该电路就无法完成正常的放大作用，反而会出现振荡信号。稳定性意味着反射系数的模小于1，即：

一般晶体管的S11和S22参数的模小于1，S12不为0，不能把晶体管视为单向性元件，输入反射系数不仅和S11有关系，同时和负载反射系数ΓL有关，不合适的负载，有可能使|Γin|>1，导致输入端不稳定；同理，不合适的源反射系数Γs，有可能使|Γout|>1，导致输出端不稳定。