北斗/GPS信号转发器仿真设计

王永慧，吴湘莲，楼 平，秦国栋

（嘉兴职业技术学院，浙江 嘉兴 314036）

北斗/GPS信号转发器仿真设计

王永慧，吴湘莲，楼 平，秦国栋

（嘉兴职业技术学院，浙江 嘉兴 314036）

文章设计了一款可以兼容北斗、GPS的信号转发器。该信号转发器采用集总参数的匹配方式，选用英飞凌公司的BFP740ESD芯片，用ADS软件进行设计、仿真、优化，实现了在1.555～1.58 GHz的频带内，增益在40 dB以上，输入输出反射系数小于-17 dB的两级小信号高增益放大器的设计。

信号转发器；LDO；射频；匹配

GPS/北斗信号转发器应用在展厅（室内）内，如果在室内不加任何措施的情况下，几乎不能检测到的GPS和北斗信号，信号转发器就是在室内需要GPS或者北斗信号时，通过室外的天线接收到信号，主机的电路再进行放大，再通过天线发射出去，使室内的接收终端在封闭的室内也能顺利进行定位等。

GPS和北斗的频段很接近（BD2:B1：1 561.098±2.046 MHz；GPS:L1：1 575.42±1.023 MHz），两者相隔的带宽不到20 MHz，所以完全可以做成一个能够接收发射这两个频段的转发器。这样的话，市场需求更加广泛，所以在放大器器件选型时，要至少覆盖北斗的最低频率1 559 MHz和GPS的最高频率1 577 MHz，考虑到以上综合因素，本项目设定的工作频段为：1 555～1 580 MHz。

另外，在主要工作模块和室外接收天线的电缆有30多米，按照1 dB/米的衰减来算，再加上发射天线以及不可预见的损耗，所以，主要放大电路的工作模块设计的放大倍数要在40 dB左右。

1 工作原理

信号转发器模块主要包括LDO电源芯片、各级的射频放大芯片以及匹配电路、接收天线、发射天线等。

信号转发器的工作原理如下：接收天线接收信号，模块的放大电路则通过两级放大器的放大作用把接收到的信号进行放大，然后通过发射天线把放大的信号发送出去。鉴于接收天线使用蘑菇头天线，所以本设计的主要设计内容为两级射频放大电路的设计工作。每一级放大电路都包括放大器芯片和相对应的匹配电路，选择合适的低噪声放大器和输出级芯片构建射频放大电路模块是非常关键的，具体的放大器芯片的选择方法将在下文进行描述。

2 主要芯片分析与选择

在芯片的选择上，需要对性能和成本的综合考虑，通过查找，发现英飞凌公司的BFP740ESD低噪声放大器是芯片高增益、高线性度、低噪声的放大器，可以应用的频率范围可以达到10GHz，该芯片使用3V的供电电压，成本也相对较低，可以作为信号转发器主要放大模块的前两级电路，很好地满足了该项目的需求。

确定了射频芯片，再来确定电源芯片。BFP740ESD是3 V供电的芯片，蘑菇头天线也需要电路板来供电，且供电电压是5 V，外面是9～12 V的变化的直流电源，这里的电源芯片使用LDO，它有成本低，噪音低，静态电流小的优点。本文采用先变压到5V给蘑菇头中的有源电路供电，5 V再变压到3 V的方案，这需要两颗电源芯片。第一个电源芯片采用贴片的L7805AC来设计，此芯片能实现9～12 V降压到5 V功能，而且它的输出电流可以达到1 A，而两级射频芯片的供电电流的经典值的最大值为25 mA×2，蘑菇头天线的供电电流大约为 20 mA，大于（25×2+20）×2= 140 mA，留有比较大的裕量。第二个电源芯片采用1112B30MC，它可以实现5 V变压到3 V的功能，输出电流为150 mA，可以满足两级射频芯片工作的要求。

3 射频电路原理图设计

本电路涉及两种静态工作点，第一级芯片的主要作用是低噪声，兼顾增益，使用低静态工作点的电路；第二级的主要作用是增益的放大，将采用相对较高静态工作点的电路。理想的偏置电路的作用是对放大管芯提供直流供电，同时抑制射频信号泄漏到该电路中。实际情况下，考虑到匹配、谐波噪声等抑制作用，此时的偏置电路也可以当作匹配电路来使用。

表1 各种芯片的主要射频特性

在这里，射频通路包括输入匹配，输出匹配以及级间匹配电路组成。在做匹配电路之前，首先确保电路本身在频带内的稳定性，本设计在芯片的发射极加微带线和电感的串联到地的负反馈，以及集电极加入电阻元器件来增强电路的稳定性。下面分别介绍这几种电路的设计流程。

3.1 输入匹配电路设计

作为一个信号接收器，需要最小的噪声系数，根据噪声系数公式来看，第一级的噪声系数和增益对整个系统的噪声有很大影响，所以第一级的输入匹配电路首先要考虑噪声系数与输入驻波比之间的性能平衡，对本设计来说，转发器的前端天线部分已经有低噪声放大器来保证最小的噪声系数，所以本次设计的第一级放大电路在保证正常性能的基础上尽量得到最小的噪声系数。

3.2 级间匹配电路设计

级间匹配电路的目的是实现最大的增益作用，主要对前级电路的输出匹配和后级电路的输入匹配的简化，在完整的电路发生不稳定或者潜在不稳定的情况时，可以通过调节级间匹配电路来实现稳定化的目标。

3.3 输出匹配电路设计

一般放大器的输出匹配是为了实现最大功率的输出，前面的匹配电路是为了实现最大增益。这种情况下，末级的放大器一般选择功率容量大的管芯。输出匹配电路设计合理的话，就可以把末级的功放的功率容量完全得到发挥。

在本设计中，信号转发器接收到的信号一般都在-150 dBm左右，经过放大电路的放大作用，其输出信号的功率也在-110 dBm左右，等效工作在小信号的情况下。所以在设计输出匹配电路的时候不需要考虑功率匹配，只需要进行阻抗的共轭匹配的方法来实现最大增益的传输。

3.4 总体原理图的设计思路与优化

图1是BFP740ESD芯片的两级电路集总参数匹配原理图（板材为FR4）。图中器件的发射极端的微带线充当了元器件的焊盘，但是这个焊盘和到地的通孔对射频电路等效为寄生电感，起负反馈作用，不可忽略。射频通路中的电容元件既充当了隔直通交的作用，也起到了很好的匹配效果；电阻的作用是稳定整个电路，使其正常工作。通过调谐和优化，电路仿真结果将会和版图仿真结果一起对比。

4 Layout的布局

利用优化好的原理图，在ADS软件里生成版图，再通过手动布局，在相应装贴元器件和芯片的地方预留焊接的空间，布线周围大面积铺地，尽量避免微带线之间的相互串扰，并在装贴元件处加port，以便在以后的原理图-版图联合仿真中连接元器件。在版图的仿真过程中，电容电感用生产厂家的模型来提供，通过手动调节优化，最终确定版图的布局，如图2所示。

图1 信号转发器的集总参数匹配电路原理

由图3可以看出，版图和原理图仿真结果相近且曲线变化方式相似，只是稍微有些恶化，恶化的原因是Layout的仿真考虑到了微带线之间、微带线与器件之间的不连续性的结果，这个是原理图所没有考虑到的。不过，这些曲线的变化趋势是一致的。最终的版图仿真结果为：增益可以达到41.4 dB, 输入输出反射系数分别在-17.6 dB和-28.2 dB。原理图仿真结果为：在绝对稳定的情况下，该电路在工作频带内达到了42 dB的增益，输入输出驻波也都在-20 dB以下，本设计通过平衡输入反射和噪声，噪声系数在0.77左右。这是一个非常理想的结果。同样也说明了原理图的仿真结果对版图的仿真具有很大的指导意义。

5 结语

根据实际需求，通过芯片的选型，设计了集总参数匹配的匹配方式，并利用射频仿真软件ADS，分别对其进行了原理图和Layout两种结构的仿真。两种仿真结果较为一致，最后得到了增益为41.4 dB，输入反射系数为-17.6 dB，输入反射系数为-28.8 dB，最终仿真结果符合预期需求。

图2 信号转发器的集总参数匹配电路版

图3 信号转发器的集总参数匹配版图与原理图仿真结果比较

[1]黄玉兰.基于ADS的射频低噪声放大器设计与仿真[J]．西安邮电学院学报，2010（3）：26-29．

[2]尹川.基于ADS1.5GHz射频放大器的设计与分析[J]．南阳理工学院学报（自然科学版），2010（2）：56-60．

[3]杨晶晶.一种前级功放的改进设计[J].数字技术与应用，2016（9）：164．

Beidou/GPS signal transformer design

Wang Yonghui, Wu Xianglian, Lou Ping, Qin Guodong
（Jiaxing Vocational Technical College, Jiaxing 314036, China）

A signal transformer used for BeiDou and GPS is presented in this paper. This transformer with detached devices and micostrip matching networks used Infneon BFP740ESD chip is showed. This simulated with Agilent ADS software. It reached a gain above 40 dB from 1.555 to 1.58 GHz band with insertion loss less than -17 dB.

signal transformer; LDO; radio frequency; match

浙江省教育厅科研项目；项目名称：基于GPRS_北斗的电动车防盗报警系统设计研究；项目编号：Y201533868。

王永慧（1987— ），女，山西大同，硕士，助教；研究方向：电子产品设计。