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航天GPS接收机的低噪声放大器设计

发布时间:2020-07-21 18:12:01 阅读: 来源:胶粉厂家

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 plan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.

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