北斗/GPS信号转发器的分布参数设计

张红宇，王永慧，吴湘莲（嘉兴职业技术学院，浙江嘉兴，314036）

北斗/GPS信号转发器的分布参数设计

张红宇，王永慧，吴湘莲
（嘉兴职业技术学院，浙江嘉兴，314036）

本文设计了一款可以兼容北斗、GPS的信号转发电路设计。该电路选用英飞凌公司的BFP740ESD芯片，通过ADS软件进行仿真、设计了一款分布参数匹配方式的两级放大电路，实现了在1.555GHz-1.58GHz的频带内，该信号转发器的噪声系数为0.82dB，增益为41.4dB，输入输出反射系数小于-13dB。

信号转发器；噪声系数；射频

0 引言

如今越来越多的北斗、GPS接收机嵌入到消费类产品中，北斗、GPS信号转发器就是其中一种。在封闭的环境内需要GPS或者北斗信号时，信号转发器可以通过室外的天线进行实时通信，把信号引到室内，接收终端才能顺利地实现定位等功能。

GPS和北斗的工作频段很接近（BD2 B1：1561.098±2.046 MHz；GPS L1：1575.42±1.023MHz），所以一个够接同时收发射北斗、GPS的信号转发器成为可能。这样的转发器应用市场会更加广泛。综合以上考虑，本文设计的信号转发器设计成1555-1580MHz的工作频段。

1 信号转发器的噪声系数分析

噪声系数是信号转发器最需要关注的参数，由于天线接收到的北斗、GPS无线信号的功率已经非常弱，所以对放大器的噪声系数有着非常高的要求。在通信系统设计中，可以分为放大电路的噪声系数NF（Noise Figure）和噪声因数 F（Noise Factor）[3]。噪声因数的定义为放大器输入功率信噪比与输出功率信噪比之比，公式如下：

公式（3）为 n 级放大器的噪声系数，nG为第 n 级放大器的增益。由此可见第一级放大电路的噪声对整个放大电路噪声起决定性的作用，所以该级放大电路必须达到频带内最小的噪声系数。级联电路的噪声性能要求第一级电路本身有较低的噪声系数并且有相当的增益，第二级电路的作用会由于第一级的增益而削弱，可以考虑设计成为高增益的放大电路。这样，电路的综合性能就会达到最佳的设计。

图1 信号转发器的分布参数匹配电路原理图

2 射频电路原理图设计

经过射频芯片的分析和选择，本文选取英飞凌的BFP740ESD芯片，该芯片在2.4GHz的噪声系数低至0.65dB且增益达到25.5dB。本电路采用两种静态工作点的设计方式，第一级电路使用低静态工作点的电路，其主要作用是低噪声，兼顾增益；第二级电路考虑到对噪声系数贡献很小，且需要高增益的特性，采用相对较高静态工作点的电路。

图1是BFP740ESD芯片的两级电路分布参数匹配原理图（仿真的PCB板为FR4）。图中芯片的接地端的焊盘影响不可忽略，该焊盘需要尽量多加接地孔，降低等效电感带来的负反馈的影响。通过电路的调谐和优化，其仿真结果如图2所示。

图2 信号转发器的分布参数匹配版图仿真结果

原理图仿真结果为：在绝对稳定时，该电路在工作频带内的噪声系数为0.72dB，增益为41.2dB，输入输出驻波也都在-18dB以下。

3 射频电路版图设计

利用ADS软件，将设计完成的原理图自动生成版图，再通过手动优化布线，在相应装贴元器件和芯片的地方预留焊接的空间。在版图的仿真过程中，仿真用的电容电感参数使用生产厂家的模型。通过反复的手动调节，最终确定版图如图3所示，版图仿真结果如图4所示。

图3 信号转发器的分布参数匹配电路版图

由图4可以看出，版图和原理图仿真结果曲线有着相似的变化趋势，版图的仿真结果稍有恶化，输出驻波还出现不连续的谐振点。出现恶化和谐振点的原因可能是版图的仿真时，微带线之间、微带线与器件之间的不连续性带来的。最终的版图仿真结果为：噪声系数在0.82左右，增益可以达到41.4dB, 输入输出反射系数在-13dB以下。本设计通过平衡输入反射和噪声。这是一个较为理想的结果。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。

图4 信号转发器的分布参数匹配版图仿真结果

4 结束语

本文介绍了分布参数匹配的信号转发电路设计，利用射频仿真软件ADS，分别对其进行了原理图和版图两种类型的仿真，最后得到的噪声系数为0.82dB，增益为41.4dB，输入输出反射系数约为-13dB，最终仿真结果符合预期需求。

[1] 费威.GPS /北斗双模导航接收机捕获器硬件设计与优化[J].信息技术，2013,6：4-7.

[2] 左玉多.一款低噪声卫星导航接收机射频前端的设计[J].半导体技术，2015，40（8）：575-579．

[3] 刘长军．射频通信电路设计.北京：科学出版社，2005：281-459．

BeiDou/GPS signal transformer design using Distributed topology

Zhang Hongyu, Wang Yonghui, Wu Xianglian
（Jiaxing Vocational Technical College，Jiaxing Zhejiang,314036）

A signal transformer used for both BeiDou and GPS is presented This transformer used Infineon BFP740ESD chip with mico-strip matching networks is showed The 2 stage circuit is simulated with Agilent ADS software. It reached a 0.82dB Noise Figure, 41.4dB gain and less than -13dB insertion loss from 1.555 to 1 58GHz band

Signal Transformer；Noise Figure；Radio Frequency

张红宇（1967-），男，浙江嘉兴人，副教授，研究方向：电子智能控制。

浙江省科技厅公益技术研究工业项目，名称：18mm*18mm北斗兼容GPS双模卫星定位接收器研制，编号：2015C31132。