用于GPS的低噪声放大器设计

付小明

摘   要：文章介绍了一款应用于GPS L1频段的低噪声放大器，使用Infineon公司的BFP420射频晶体管。利用ADS软件介绍了射频低噪声放大器的设计步骤和指标，成功制作出实物，并利用网络分析仪和噪声分析仪等设备验证了放大器性能。此放大器与陶瓷天线结合，并接入到GPS接收器，于空旷地带测量了其接收GPS卫星信号的性能。

关键词：全球卫星导航系统;低噪声放大器;BFP420;自动化设备规范

1    卫星导航系统发展

全球卫星导航系统（Global Satellite Navigation System，GNSS）作为影响国家安全和经济的基础设施，各军事大国和经济体都争相发展独立自主的卫星导航系统。目前主要有美国的GPS，俄罗斯的GLONASS，欧盟的Galileo和我国的北斗等系统，而GPS为最先提出并成功运行的系统，起始于20世纪五六十年代的美国军方，并逐渐发展。GPS提供了军用和民用两种不同服务，同时提供了实时、全天候和全球性的定位导航服务，其民用部分已深深影响了我们的日常生活。GPS可为位于海、陆、空各个层面的物体进行定位、导航;可为电力、邮电和通信等网络系统授时与校频;可应用于大地测量、地壳运动监测、工程测量等各种高精度测量任务中[1]。

GPS系统目前主要使用以下频段：L1（1 575.42 MHz），L2（1 227.6 MHz）和L5（1 176.45 MHz）等。其中民用GPS主要使用L1波段，民用L1 C/A码信号地面接收功率约在-130 dBm[2]。GPS接收机通过天线接收到GPS卫星信号，经前置放大滤波后，传送到GPS专用芯片处理解算出定位导航数据。目前，市面上主流GPS芯片有UBLOX，SIRF（现为高通所并购）、MTK等。鉴于地面GPS功率较弱，所以需要性能良好的天线和前端放大器，否则会影响整个接收机的定位性能。

天线部分可以参考聂在平[3]的观点，本文主要涉及前置放大器部分，根据级联放大器的噪声温度公式，一个级联系统中首级的噪声性能尤为重要。所以本文设计第一级前置低噪声放大器。

低噪声放大器的主要技术指标有：噪声系数、放大器增益和稳定性等。由于GPS L1的工作频率为1 575.42 MHz射频波段，所以其前端低噪声放大器与常规低频电路的设计方法完成不同。本文将从工程应用的角度一步一步来介绍射频低噪声放大器的设计。

确认以下技术条件和指标。工作频率：1 575.42 MHz（GPS L1频段）;噪声系数：小于1.5 dB;增益：大于12 dB;输入输出阻抗：50 Ω;输出驻波比：小于1.5;稳定条件：绝对稳定;工作电压：3 V。

目前，市面上射频低噪声放大器的生产厂家有很多，包括国内和国外廠家。器件选择有晶体管和微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）等。MMIC（如Infineon的BGA725L6）只需要外围几颗阻容器件即可使用，在设计上较为方便，但价格方面会高于晶体管（两颗晶体管的价格可能还低于MMIC器件），本文以基本的晶体管出发设计的此类放大器，具有良好的性价比。

2    放大器设计

2.1  器件选型

此次设计选择来自德国Infineon科技公司的产品BFP420，Infineon为全球领先的半导体公司之一，其性能在业内相当优秀。

首先，访问Infineon官网（https：//www.infineon.com/cms/en/product/rf-wireless-control/rf-transistor/low-noise-si-transistors-up-to-5-ghz/bfp420/），查看BFP420的相关datasheet。可见BFP420作为NPN射频晶体管，其性能符合设计指标要求，性价比相当不错。

2.2  ADS仿真设计

2.2.1  下载BFP420的ADS库文件并安装

从以下官网页面（https：//www.infineon.com/cms/en/product/rf-wireless-control/rf-transistor/low-noise-si-transistors-up-to-5-ghz/bfp420/）下载相关ADS库文件，并在ADS中用Design Kits安装相应库文件。安装成功后可以从工作界面选取相应的Infineon器件[4-5]。

2.2.2  直流分析

利用“BJT Curve Tracer”控件进行直流分析。目前，市面上的GPS系统基本工作在2.7～3.3 V，所以这里设计低噪声放大器的工作电压为3.0 V。考虑到大部分GPS系统开机就会给LNA供电，因此从功耗以及晶体管的特性出发，选取的工作电流为4 mA。

2.2.3  设计偏置电路

为了使放大器工作，需设计直流偏置电路，其作用是在特定的工作条件下为放大器提供适当的静态工作点。同时直流偏置也不能影响射频信号源，因此，偏置电路应考虑到去耦。偏置电路种类很多，关于偏置电路的设计，ADS里有几种方法，这里利用设计向导（Design Guide）来设计。

此过程利用Design Guide设计偏置并计算出偏置电路阻值，Vcc=3.0 V，Vce=2.0 V，Ic=4 mA。算出R1=247.485 162 Ω，R2=28.529 845 kΩ，从实际工程上应用电阻值，R1选用240 Ω，R2选用27 kΩ。

针对上述阻值的偏置电路进行直流仿真分析，分析结果Vce=1.99 V，Ic=4.17 mA。

2.2.4  稳定性分析

射频放大器，由于反射波的存在，输出信号会有一部分反馈到输入端，使得放大器可能转变为振荡器。因此必须设计放大器使其工作状态绝对稳定，即在选定的工作频率和偏置条件下，放大器对于任意波源和负载都是稳定的。

k为稳定性因子，绝对稳定要求：

k>1，

在ADS里对BFP420进行稳定性分析，计算出目前设计的k为0.523，显然小于1，放大器是不稳定的。为了使其稳定，可以引入负反馈和电阻负载，负反馈这里采用了在晶体管的射极加小电感，利用微带线实现。先加入微带线作为负反馈，由结果看出，稳定性因子虽有所提升，但仍小于1，不稳定。可考虑加一阻性负载，这一步骤在设计完输入输出匹配网络后再来增加。

2.2.5  噪声系数圆和输入匹配

噪声系数是指信号通过放大器后，由于放大器本身的噪声，使得信噪比变差。信噪比下载的倍数就是噪声系数，定义如下：

Sin和Nin为输入端的信号功率和噪声功率;Sout和Nout为输入端的信号功率和噪声功率。根据级联放大器的噪声系数公式：

NFn为第n级放大器的噪声系数，Gn为第n级放大器的增益。可见整个接收机的噪声系数主要受第1级影响。

由于噪声系数主要受输入匹配影响，因此在第1级的放大器中，输入匹配设计是为了获取最小噪声系数。

在ADS中仿真噪声系数，等噪声圆获取最小噪声的输入阻抗值。根据阻抗共轭匹配并利用ADS的匹配设计工具，设计输入匹配网络如下，其中6.8 nH电感直接替换输入端的DC_Feed2，2.7 pF电容替换DC_Block1，并增加DC_Block3射频接地（最终替换成33 pF电容）。

2.2.6  输出匹配

放大器的主要任务就是对输入信号进行放大。放大器的转换功率增益定义为：

Γs为源反射系数，Γin为输入反射系数，ΓL为负载反射系数。

输入匹配网络是为了获取最小噪声系数，输出匹配网络设计则是为了获取最大增益。

在ADS中得到目前放大器的输出阻抗，为了获取最大增益，根据阻抗共轭，设计输出匹配网络使此放大器的输出阻抗变换到50 Ω。同时考虑到此放大器仍不稳定，所以增加一15 Ω的R3电阻用于改善稳定特性，

2.2.7  整体电路

综上所述，将DC_Block3和DC_Block4替换成33 pF电容，DC_Feed3替换成47 nH电感，整体电路设计和运行仿真结果如图1所示。仿真运行结果如表1所示。

2.3  版图PCB设计和实物性能测试

使用印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）画图软件layout，并制板，采用FR4板材，板厚0.8 mm。

焊接好PCB并适当的微调，采用稳压电压MATRIX MPS-3003D，数字万用表Agilent 34 401 A，网络分析仪Agilent 8753ES和噪声分析仪 HP8970B测量，观察实际测量结果（见表2），表明设计符合要求。

2.4  EVB整机空旷地带测试

采用上述焊好的LNA PCB板子，天线采用25×25×4的陶瓷天线，工作频率为1 575.42 MHz，GPS接收器使用UBLOX 公司出品的UBX-G6010EVK。实际测试结果如图2所示，图2中的G17，G19和G2等表示卫星编号，A柱表示该卫星用于定位解算，柱子上的49，48表示所接收到的信号强度（载噪比C/N0，单位dBHz）。可见总的收星颗数为11颗卫星，其中，7颗用于定位解算，最高C/N0值可以达到49 dBHz，11颗卫星中超过40 dBHz的颗数达到9颗，所以，该设计收星效果良好，定位正常。

3    结语

本文设计了第一级的放大器，主要考虑低噪声这一指标而非最大增益。目前。市面上GPS外置天线常规设计为两级放大，而第二级放大器则以最大增益为出发点设计。本文只考虑了GPS L1这一频段，后續可进一步用于设计GPS+BD2+GLONASS多模用低噪声放大器。

[参考文献]

[1]谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2]米斯拉，恩格.全球定位系统—信号、测量与性能[M].2版.罗鸣，曹冲，肖雄兵，等，译.北京：电子工业出版社，2008.

[3]聂在平.天线工程手册[M].成都：电子科技大学出版社，2014.

[4]黄玉兰.ADS射频电路设计基础与典型应用[M].2版.北京：人民邮电出版社，2015.

[5]路德维格，波格丹诺夫.射频电路设计—理论与应用[M].2版.王子宇，王心悦，译.北京：电子工业出版社，2013.