航天GPS接收机的低噪声放大器设计

航天GPS接收机的低噪声放大器设计
北京清华大学宇航技术研究中心(100084) 杨春宝 张海云 白 洁
 
　　摘　要：介绍一种用于航天GPS接收机的无源微带天线的低噪声放大器设计。内容涉及选择低噪声放大器的输入匹配网络及优化匹配参数;并通过实际测试验证了它在天线中应用的有效性。实验结果表明性能优于已有的星载GPS接收机天线。
　　关键词：低噪声放大器 航天GPS接收机 无源微带天线

　　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。
参考文献
1 潘科炎. GPS在航天器导航和姿态确定领域的应用前景.航天工业总公司五零二研究所, 1996.10
2 Elliott D.Kaplan著,邱致和,王万义译.GPS原理与应用. 北京:电子工业出版社,2002.08
3 AM50-0002 Datasheet. http://www.macom.com/data/datasheet/AM50-0002_V5.pdf.