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航天GPS接收機的低噪聲放大器設(shè)計
摘要：介紹一種用于航天GPS接收機的無源微天線的低噪聲放大器設(shè)計。內(nèi)容涉及選擇低噪聲放大器的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)及優(yōu)化匹配參數(shù)；并通過實際測試驗證了它在天線中應(yīng)用的有效性。實驗結(jié)果表明性能優(yōu)于已有的星載GPS接收機天線。關(guān)鍵詞：低噪聲放大器航天GPS接收機無源微帶天線
全球定位系統(tǒng)GPS（GlobalPostitioningSystem）是一種無源定位系統(tǒng)，對海陸空天的運動和靜止載體都可應(yīng)用。研究資料表明，在900km以下的近地軌道，GPS接收機的單點實時定位精度不低于地面的應(yīng)用水平。GPS的航天應(yīng)用正影響著未來航天器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。GPS技術(shù)在航天器上的應(yīng)用，對航天器成本、功耗、重量的降低有顯著的效果。GPS能夠完成多種傳感器完成的功能，測定航天器的航跡、姿態(tài)、時間參數(shù)及航天器間的相對距離，最終結(jié)果可以使航天器上的傳感器附件數(shù)量減少，增強航天器在軌自主運行的能力[1]。
本航天GPS接收機是L1C/A碼導(dǎo)航型接收機，只接收L1C/A信號。對地面應(yīng)用的接收機，L1C/A信號的最低接收功率為-160.0dBw[2]，有用信號淹沒在熱噪聲信號中。在LEO軌道，考慮自由空間傳播損耗和大氣損耗都小于地面應(yīng)用，所以GPS信號功率比地面大1～7dBw。接收機接收到的信號經(jīng)下變頻后，在較低的中頻頻率進行基帶處理。通常無源天線接收的信號強度不滿足變頻器芯片的輸入要求，所以要用低噪聲放大器對天線接收信號進行放大。低噪聲放大器要滿足增益要求且噪聲系數(shù)盡量小。
1LAN設(shè)計
天線和LAN部分設(shè)計的框圖如圖1所示。各部門集成在一起，以降低饋線損耗，減小噪聲系數(shù)。根據(jù)所設(shè)計航天GPS接收機的航天應(yīng)用特點，選用Micropulse1621LW無源天線，它簡單、堅固、體積小，適合安裝在微小衛(wèi)星上。在接收機天線處，GPS信號非常微弱，帶外射頻信號影響LAN和射頻前端工作，造成信號失真。尤其當(dāng)GPS天線與射頻發(fā)頻天線安裝距離較近，射頻天線的輻射可能導(dǎo)致器件飽和而使GPS接收機不能正常工作。所以需要射頻濾波器抑制帶外信號，本設(shè)計選MuRata公司的濾波器DFC21R57P002HA，特性同線如圖2所示。
航天GPS接收機的低噪聲前置放大器采用AM50-0002低噪聲放大器進行設(shè)計。AM50-0002的噪聲系數(shù)為1.15B，標稱增益27dB，一片芯片即可滿足要求[3]。AM50-0002的管腳連接圖與輸入匹配參數(shù)如圖3所示。考慮到使用微帶實現(xiàn)輸入匹配的復(fù)雜性，以及1.575GHz頻率下微波電感的適用性，設(shè)計中用微波電感實現(xiàn)輸入匹配。輸入匹配的電感網(wǎng)絡(luò)和電感參數(shù)用ADS優(yōu)化優(yōu)化得到。
2匹配網(wǎng)絡(luò)和參數(shù)優(yōu)化
(1)計算微帶T1、T2的參數(shù)
用微波EDA工具軟件ADS2002計算微帶T1、T2的參數(shù)。執(zhí)行命令A(yù)DS2002→Tools→LineCalc，選定微定類型、襯底參數(shù)（substrateparameters）和工作頻率，在電參數(shù)（Elactrical）下填寫圖3中的阻抗和電長度，執(zhí)行合成（Synthesize），從物理參數(shù)（Physical）下得到微帶的寬度W和長度L。對圖3中的T1、T2的計算結(jié)果如下：
T1W=2.08512mm,L=12.7706mm;
T2W=1.04589mm,L=5.85184mm。
�。�2）計算單端口S參數(shù)
根據(jù)圖4所示原理圖，將微帶設(shè)置為（1）中得到的參數(shù)，微帶類型、襯底參數(shù)和工作頻率與（1）保持一致，計算得到單端口S參數(shù)為S（1，1）=0.756/62.140。
�。�3）確定電感匹配網(wǎng)絡(luò)
嘗試不同的電感匹配網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)匹配結(jié)果確定匹配網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。
�。�4）優(yōu)化匹配參數(shù)
原理電路如圖5所示，將S（1，1）=0.756/62.140作為優(yōu)化目標，優(yōu)化理想電感L1、L2的參數(shù)。優(yōu)化計算36步后得到結(jié)果。此時S參數(shù)為S（1，1）=0.758/62.042，得到的理想電感參數(shù)為：L1=4.986nH,L2=5.302nH。
圖5
3實測結(jié)果
本設(shè)計得到的天線與其它兩種天線分別和SuperStarOEM接收機連接工作，本設(shè)計得到的天線與地面應(yīng)用中常用的SM25天線性能相近，好于已有的工程星GPS接收機天線。
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