卫星导航接收机低噪放电路模块设计

耿卓杉，詹达诲

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

1 研究背景

卫星导航接收机低噪放电路是卫星接收机的主要组成部分，主要包括滤波器和低噪放等，该电路是系统除天线外的射频最前端，有效地完成射频前端的设计，可以优化接收机的性能，从而提高卫星导航接收机的灵敏度等指标[1]。随着市场及产品小型化需求日益强烈，将电路进行模块化设计是大势所趋，模块化设计电路可以有效控制设计成本，减少设计误差，模块重复性使用保证了设计方案成熟。本文设计的射频低噪放电路主要由两级滤波器和低噪放芯片，以及π型衰减器构成，最终通过仿真确定方案的可行性。

2 低噪声放大电路模块设计方案

2.1 低噪放原理图设计与仿真

本文设计的低噪放电路应用于卫星导航接收机射频前端，主要应用于北斗二代B3频点，带宽为20 MHz，具有噪声低、增益高、带外抑制性强的特点[2]。在低噪声放大链路中，第一级滤波器完成信号选择，第二级低噪放芯片完成信号放大，第三级带通滤波器对信号进行滤波处理，最后通过衰减器来进行链路增益控制。

在器件选用上，介质滤波器选用C&Q的CMF43C系列的CMF43C1268C20B，低噪放芯片选用Qorvo的TQL9092，第二级滤波器选用RFM的SF2186E声表滤波器，衰减器使用π型衰减器来控制链路增益。

完成选用器件后，使用ADS仿真软件完成对链路的设计仿真，对系统链路进行预仿真，确定系统参数，主要仿真参数包括噪声系数NF、三阶输出交截点OIP3及链路的增益（J）。

噪声系数是对系统输入和输出之间信噪比递降的一种度量，在系统级联情况下，各级器件的噪声系数用Cmp_NF表示，则各级器件的噪声系数如图1所示。图1中使用NF_RefIn_NoImage表示从系统输入到元器件输出的噪声系数NF，任意n级网络级联系统噪声系数NF可以根据式（1）计算。

图1 各级器件噪声系数仿真（左）及系统的噪声系数仿真（右）

式中，为第n级器件噪声系数； 为第n级增益。

根据上述计算仿真，可以获得系统的噪声系数仿真，最终得出系统的噪声系数为1.77 dB，满足系统设计要求。如图1所示。使用OutPGain表示系统链路的总增益，即从系统输入到任意元器件之间所有元器件S21之和。使用OutTOI表示从系统输入到元器件输出的OIP3，则一个n级网络系统的OIP3值可以根据式（2）来计算。

可以得到OutPGain、OutTOI的仿真结果如图2所示，最终得出系统OIP3值为30 dB，总增益为12.6 dB。其中由于OIP3仿真中前2级为无源网络，仿真默认其OIP3值为1000 dB，因此可以定义放大器为第一级输入计算整个链路的OIP3值。

图2 系统OIP3仿真结果（左）及系统增益仿真图（右）

根据链路仿真，上述设计的低噪放系统链路增益为12.6 dB，OIP3值为30 dB，系统的噪声系数为1.77 dB，基本满足卫星接收机射频前端系统设计需求。根据TQL9092的S参数模型可以完成链路理想的S参数仿真。

2.2 低噪放版图设计与仿真

根据2.1节讨论，对低噪放电路的PCB进行布局、布线、叠层、过孔等设计，完成PCB设计后对版图进行导出导入，使用ADS的Momentum对版图的各微带线进行仿真。

微带线是目前最流行的平面传输线，可以有效地与其他无源和有源微波器件集成，微带线的有效介电常数可以由式（3）表示。

式中，为介质基片的介电常数；d为介质基片的厚度；W为金属片的宽度[1]。

根据给定的微带线尺寸，各微带线特征阻抗 可以由式（4）计算。

通过Momentum可以完成版图的电磁仿真，最终计算出各平面的S参数，包括微带线、槽线、共面波导和其他拓扑结构。并且提供过孔和空气桥用来仿真连接各层之间的拓扑结构，从而达到仿真多处微波印刷电路板、混合多模块芯片和集成电路。使用Momentum对低噪放电路版图进行仿真，可以得到各微带线的S参数，并将仿真结果生成版图参数模型，将版图S参数模型与原理图器件进行协同仿真，从而完成对电路版图的完整仿真。

对版图的S参数进行仿真实验，在仿真过程中，以S参数作为参考，对版图设计进行调整，最终版图的设计引入了1.6 dB的插入损耗，噪声系数可以控制在1.8 dB左右。

通过上述分析，可以验证使用CMF43C1268C20B、TQL9092、SF2186E构成的射频前端低噪放电路可以应用于卫星导航接收机射频前端，可有效地控制射频电路增益，具有良好的噪声系数。

3 结束语

对于卫星导航接收机系统目前面临着小型化、模块化等挑战，本文介绍了一种射频前端低噪放电路模块的设计思路及方案，该方案在B3频点，S21为11 dB，噪声系数可以控制在1.8 dB左右，该方案设计的低噪放模块性能良好，可以应用于各类卫星导航接收机前端。■