GPS分路放大器的设计

毕娜娜， 刘德喜

(北京遥测技术研究所 北京 100076)

GPS分路放大器的设计

毕娜娜， 刘德喜

(北京遥测技术研究所 北京 100076)

传统的机载GPS天线与飞行员手持接收机之间存在有线连接，会影响飞行员应急逃生。为解决这个问题，在新的GPS座舱接收系统中加入GPS分路放大器和GPS无源发射天线组成的GPS转发装置，将GPS信号转发给GPS手持机。它是一个无线转发接收系统，当危险状况出现时，有利于飞行员应急逃生。采用成熟的传输线理论和有源电路分析方法对其中的GPS分路放大器进行理论分析和仿真设计，电路实测结果验证了设计方法的可行性和设计参数的正确性。

分路放大器； 无源发射天线； 转发系统

引 言

放大电路的主要功能是放大电信号。无论是在通信、广播、雷达，还是在自动控制、电子测量等电子设备中，放大电路都是必不可少的组成部分[1]。

射频放大器与常规低频电路的设计方法不同，它需要考虑一些特殊的因素，尤其是入射电压波和入射电流波都必须与有源器件良好匹配，以便降低电压驻波比，避免寄生振荡。也正是由于这个原因，稳定性分析常作为射频放大器设计的第一个步骤。稳定性分析以及增益圆、噪声系数圆都是放大器电路设计所必需的基本要素，依据这些要素才能设计出符合增益、增益平坦度、输出功率、带宽和偏置条件等苛刻要求的放大器[2]。

GPS分路放大器在整个GPS座舱接收系统中处于低噪声放大器之后、手持接收机之前，所以其主要作用是补偿无线转发链路上损失的增益，与GPS无源天线一起完成对手持机的信号转发功能，它对噪声要求不高。由此可见，本文设计的主要关注要素是增益、驻波比和端口的隔离度。

1 GPS分路放大器分析及仿真

为提高设计效率，获得最佳的电路性能，首先用传输线理论和有源电路分析方法对GPS分路放大器的链路进行理论估算，然后采用Ansoft公司的Serenade 8.7软件对电路进行建模仿真，之后导出版图，用ADS软件的Momentum对版图进行最终的电磁场环境仿真。

1.1 链路增益分析及计算

原有的GPS接收系统结构如图1所示。

图1 无转发装置的系统结构

经过改进后的GPS接收系统具备转发功能，手持机采用无线接收方式，其系统结构如图2所示。

图2 有转发装置的系统结构

根据图1系统和图2系统的比较，可以看出两个机载座舱GPS接收系统的显著区别。

图1所示是传统的GPS接收系统。二分路器一端通过输出同轴给前端的L频段低噪声放大器馈电，另一端通过射频电缆将L频段低噪声放大器接收放大的信号传输到GPS手持机。

图2所示是改进后的GPS接收系统。GPS分路放大器采用一体化设计，将二分路器内置，与GPS放大器一体化设计，完成分路放大功能。其一端如图2所示，连接供电端，一方面给前端的L频段低噪声放大器供电，另外还要给GPS放大器自身供电。另一端通过射频电缆级联GPS无源发射天线，给舱内的设备传输无线信号。

链路电路的增益主要用于补偿系统上变化的那一部分链路损耗，如图2所示，两个GPS接收系统相比区别在于GPS无源发射天线增益约为4dB，发射天线距离舱内手持机设备约为0.5m，根据理论计算，空间损耗约为30dB。所以GPS放大器需要补偿的增益必须大于26dB。

根据以上理论计算，GPS分路放大器的设计指标要求为：工作频率1590±17MHz；增益≥32dB；噪声系数≤8dB；端口(P2、P3)隔离度＞30dB；输入、输出驻波比 ≤2∶1；工作电流≤150mA，+5VDC；1dB压缩点输出功率≥+5dBm。

1.2 电路仿真及计算

1.2.1 电路仿真模型建立

GPS分路放大器设计中不再选用集成的功分器，而是采用微带功分器。GPS放大器采用两个MMIC放大器级联，由于其在整个接收系统中的位置处于后端，其噪声系数对整个系统的影响较小，故不需要设计为低噪声放大器。GPS分路放大器仿真图示于图3，仿真软件为Ansoft公司的Serenade 8.7。

图3 GPS分路放大器仿真图

如图3所示，前端为二分路器，1端口为射频输入端，2端口为供电端，3端口为射频输出端。

1.2.2 电路仿真结果

GPS分路放大器的工作频率为1590±17MHz，用仿真软件Serenade 8.7对电路的关键指标(增益、驻波比以及端口隔离度)进行仿真，在仿真曲线中对带内不同区间的频点进行标注，使数据更加直观，如图4所示。

由图4的仿真结果可知，在1590±17MHz的工作频带内，增益大于34dB，完全满足指标增益≥32dB的要求。

由图5端口隔离度的仿真结果可知，在1590±17MHz的工作频带内，隔离度大于100dB，满足指标隔离度大于30dB的要求。

由图6端口驻波比的仿真结果可知，在1590±17MHz的工作频带内，P1、P2、P3端口的驻波比均小于1.2∶1，满足指标驻波比≤2∶1的要求。

图4 增益(S31)仿真结果

图5 端口隔离度(S23)仿真结果

图6 端口驻波比仿真结果

1.2.3 Momentum模型建立

GPS分路放大器的电路中，包含分立和集总元器件，为了使仿真结果更加贴近实际，用Serenade软件中的S2A layout附件将电路模型生成电路布局图，然后放入ADS2008软件中，完成mesh(网格)定义，进行两维半的电磁场仿真，仿真模型如图7所示。

1.2.4 Momentum模型仿真结果

将图8的增益仿真结果与图4进行比较，发现增益数据基本没有变化，在工作频带内均大于33.8dB。

将图9的驻波比仿真结果与图6进行比较，发现P2、P3端口驻波比数据基本没有变化，而P1端口驻波比明显恶化至1.5∶1。

将图10的隔离度仿真结果与图5进行比较，发现端口隔离度明显恶化，由100dB降为53dB。

综上所述，电磁场仿真结果跟电路仿真结果作比较，增益性能没有明显改变，P1端口驻波比、端口隔离度指标有明显恶化，驻波比恶化至1.5，端口隔离度恶化至53dB左右，但仍然满足系统指标要求。

图7 layout仿真模型

图8 增益(S31)仿真结果(Momentum模型)

图9 端口驻波比仿真结果(Momentum模型)

图10 端口隔离度(S23)仿真结果(Momentum模型)

2 实物测试结果

根据上述理论分析及仿真结果，确定了最终的GPS分路放大器电路设计，实物的设计版图如图11所示。

实物指标测试结果如表1所示。测试仪器：①E8363B矢量网络分析仪；②N8975A噪声系数测试仪。测试环境：常温。测试频率：1590±17MHz。

图11 实物电路版图

表1 实物测试结果

3 结束语

本文在理论分析的基础上，利用Serenade软件对GPS分路放大器设计方案进行原理图模型创建，将生成的电路版图导入ADS软件的Momentum中，进行电磁场环境下的电路仿真，仿真结果与实物测试结果相吻合。Serenade软件在电路模型的建立、电路版图的生成上提高了设计效率，缩短了研制周期。而ADS软件的Momentum模型仿真则对电磁场环境中的微带等部分进行了更加细致的二维场仿真，获得优化的放大器性能。电路实测结果均能达到系统各项指标要求，表明该设计方案切实可行。

[1]李雅轩.模拟电子技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000.

[2]Reinhold Ludwig and Pavel Bretchko.RF Circuit Design：Theory and Applications[M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2002：326.

Design of GPS Splitter Amplifier

Bi Nana， Liu Dexi

Because of the cable connection between the traditional airborne GPS antenna and the pilot handset receiver，the pilot emergency evacuation may be affected.To solve this problem，the new GPS cockpit receiving system adds a GPS forwarding device，which consists of the GPS splitter amplifier and the GPS passive transmitting antenna.The GPS signal is transmitted to the GPShandset receiver in the wireless forwarded receiving system.When the dangerous case occurs，the system could help the pilots escape quickly.The GPSsplitter amplifier is analyzed and simulated based on the transmission line theory and active circuitanalysis method.The circuitmeasurement results verify the feasibility of the designmethod and the accuracy of the design parameters.

Splitter amplifier； Passive transmitting antenna； Forwarding system

TN722.3

B

CN11-1780(2014)06-0029-04

2013-10-10 收修改稿日期：2014-04-18

毕娜娜 1980年生，大学本科，工程师，主要研究领域为微波电路与系统。

刘德喜 1973年生，硕士，研究员，主要研究领域为微波毫米波电路与系统、电磁兼容等。