航天GPS接收机的低噪声放大器设计

 全球定位系统GPS（Global Positioning System）是一种无源定位系统，对海陆空天的运动和静止载体都可应用。研究资料表明，在900km以下的近地轨道，GPS接收机的单点实时定位精度不低于地面的应用水平。GPS的航天应用正影响着未来航天器系统的结构。GPS技术在航天器上的应用，对航天器成本、功耗、重量的降低有显著的效果。GPS能够完成多种传感器完成的功能，测定航天器的航迹、姿态、时间参数及航天器间的相对距离，最终结果可以使航天器上的传感器附件数量减少，增强航天器在轨自主运行的能力[1]。
本航天GPS接收机是L1 C/A码导航型接收机，只接收L1 C/A信号。对地面应用的接收机，L1 C/A信号的最低接收功率为-160.0dBw[2]，有用信号淹没在热噪声信号中。在LEO轨道，考虑自由空间传播损耗和大气损耗都小于地面应用，所以GPS信号功率比地面大1～2dBw。接收机接收到的信号经下变频后，在较低的中频频率进行基带处理。通常无源天线接收的信号强度不满足变频器芯片的输入要求，所以要用低噪声放大器对天线接收信号进行放大。低噪声放大器要满足增益要求且噪声系数尽量小。

1 LNA设计

天线和LNA部分设计的框图如图1所示。各部分集成在一起，以降低馈线损耗，减小噪声系数。根据所设计航天GPS接收机的航天应用特点，选用Micropulse1621LW 无源天线，它简单、坚固、体积小，适合安装在微小卫星上。在接收机天线处，GPS信号非常微弱，带外射频信号影响LNA和射频前端工作，造成信号失真。尤其当GPS天线与射频发射天线安装距离较近，射频天线的辐射可能导致器件饱和而使GPS接收机不能正常工作。所以需要射频滤波器抑制带外信号，本设计选用MuRata公司的滤波器DFC21R57P002BHA，特性曲线如图2所示。

航天GPS接收机的低噪声前置放大器采用AM50-0002低噪声放大器进行设计。AM50-0002的噪声系数为1.15dB，标称增益27dB，一片芯片即可满足要求[3]。AM50-0002的管脚连接图与输入匹配参数如图3所示。考虑到使用微带实现输入匹配的复杂性，以及1.575GHz频率下微波电感的适用性，设计中用微波电感实现输入匹配。输入匹配的电感网络和电感参数用ADS软件优化得到。


2 匹配网络和参数优化

（1）计算微带T1、T2的参数

用微波EDA工具软件ADS2002计算微带T1、T2的参数。执行命令ADS2002→Tools→LineCalc，选定微带类型、衬底参数(substrate parameters)和工作频率,在电参数（Elactrical）下填写图3中的阻抗和电长度，执行合成（Synthesize），从物理参数（Physical）下得到微带的宽度W和长度L。对图3中的T1、T2的计算结果如下：

T1 W=2.08512mm, L=12.7006mm；
T2 W=1.04589mm, L=5.85184mm。

（2）计算单端口S参数

根据图4所示原理图，将微带设置为（1）中得到的参数，微带类型、衬底参数和工作频率与（1）保持一致，计算得到单端口S参数为S(1,1)=0.756/62.140。

    
（3）确定电感匹配网络
尝试不同的电感匹配网络，根据匹配结果确定匹配网络如图5所示。

（4）优化匹配参数

原理电路如图5所示, 将S(1,1)=0.756/62.140作为优化目标，优化理想电感L1、L2的参数。优化计算36步后得到结果。此时S参数为S(1,1)=0.758/62.042，得到的理想电感参数为：L1=4.986nH，L2=5.302nH。

3 实测结果

本设计得到的天线与其它两种天线分别和SuperStar OEM接收机连接工作，得到跟踪相同GPS卫星时的载波噪声比如表1所示。从表1中可见，本设计得到的天线与地面应用中常用的SM25天线性能相近，好于已有的工程星GPS接收机天线。