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摘 要：给出了一种GPS前端LNA模块设计方案。该方案采用带通滤波器+低噪声放大器+带通滤波器。这种架构对移动通信干扰有优异的抑制性能，这有助于确保GPS接收器在移动台通话时并行工作。低噪声放大器LNA采用Infineon公司高性能硅锗三极管BPF740F，具有非常低的噪声指数、高线性度和高增益的特点。滤波器采用全球定位系统L1频段带通声表面滤波器。可以作为移动通信终端搭载的GPS前端LNA的备选方案。
关键词：GPS前端；低噪声放大器；高增益；移动台
0引言
GPS导航设备随着嵌入移动终端产品得以普及，而手持终端产品对于GPS系统提出的要求是满足定位精度的前提下降低使用成本。这种使用成本不仅是包括设备本身的成本，还包括GPS系统在使用过程中的能量损耗（源于对功耗的敏感性）这对于手持设备是至关重要的。在功耗满足的情况下，低噪声放大器的设计回归到普遍的低噪声放大器设计流程，而资用功率设计法成为此流程的基本方法。
1资用功率设计法
由于GPS的信号非常微弱，接收机前端接收到的信号功率为-130dBm到-133dBm[1]，此信号非常微弱，已经淹没在噪声里。GPS接收前端电路对GPS的信号捕捉至关重要。设计性能优秀的低噪声放大器和干扰滤波器是保证GPS接收器正常工作的前提。简单说来，资用功率设计法就是在将源阻抗匹配在最佳噪声源阻抗后，最大限度的提高负载的匹配程度，以得到最大的增益。图1给出了本设计的原理图。以下就实际的设计考量进行讨论。
2 GPS低噪声放大器设计
2.1直流偏置
将射频三极管偏置在合适的工作点应该是低噪声放大器设计的第一步。从不同的应用出发，直流馈电电路的选择是不同的。考虑到终端产品对成本和性能的要求，选择较为简单的电阻反馈偏执电路，R1和R2馈入直流，且R2提供稳定工作点所需的直流负反馈。直流工作点的选择出发点在于增益、线性度、噪声指数和功耗的折中。高的静态电流有利于提高增益和线性度，但是噪声指数也会随着集电极电流的增加而增加，同时大电流也会增加功耗。分析厂商给的数据知道，BFP740F在漏极电流为10mA左右时，可获得较好的噪声系数指标，是我们设置直流偏执的依据。
2.2稳定性考虑
放大器的潜在不稳定性是设计过程中必须考虑的问题，基于此，设计目标是在全频段的无条件稳定，这意味着对于放大器的输入端和输出端加载任意阻抗，电路都不会有振荡现象出现[2]。无条件稳定的充分必要条件由Rollett稳定系数给出。利用晶体管供应商提供的S2P文件，很容易在仿真软件中的得到K值。在没有任何稳定措施的情况下，三极管在低于7.5GHz的频带上都是潜在不稳定的。在低于8GHz的频段上，引入两种方法将射频管保持绝对稳定。引入稳定电阻R3，此电阻会恶化放大器的增益和压缩点，通过调节阻值来使这种影响降到最低。在共射模式工作的管子射极与地间串入一小段电感，以增加反馈的方式提高稳定性能[3]。通过仿真，得到这段电感的值为 0.2nH。通过两段并联微带线（0.1mm×1.5mm）来实现此电感，如图2（a）。稳定后的晶体管Rollett系数值由图2（b）给出，晶体管在全频段达到稳定状态。
2.3噪声匹配
对低噪声放大器性能考察的出发点应该是噪声系数，为达到噪声系数的要求，有理由对增益，驻波等其他指标作妥协。较高的电流有利于增益的调高和线性度的改善，但是会使噪声系数恶化。对单级放大器而言，噪声系数NF由下式给出：
其中NFmin 为晶体管最小噪声系数，由晶体管本身决定，Γopt ，Rn ，Γs 分别为获得NFmin 时的最佳源反射系數、晶体管等效噪声电阻、以及晶体管输入端的源反射系数。晶体管的源端所接信号源的阻抗等于它所要求的最佳源阻抗时，由该晶体管构成的放大器的噪声系数最小[4]。然而，最佳噪声匹配源阻抗一般都不是满足最大增益时的源阻抗，因此，需要进行噪声和增益的折中。本设计将源阻抗匹配在噪声系数低于0.7dB的情况下，此源阻抗可得到至少22dB的增益。源阻抗确定后，只需将负载端进行共轭匹配[5]。
2.4仿真验证
通过CAD软件模拟低噪放的噪声系数和增益。图3给出了噪声系数的仿真结果。容易看出，在完全噪声匹配的情况下，可以得到0.619dB的噪声系数，如Mark1所示。考虑到与增益的折中，最终的噪声系数仿真数据为Mark2所示的0.671dB。由散射参数仿真可以得到放大器的增益特性，由图4，可获得21.6dB的前向增益。
3噪声系数测试
低噪声放大器的实际测试使用Y因子方法，Y因子方法使用一个与被测件输入端直接连接的噪声源，提供两个输入噪声电平。Y因子方法易于使用，特别是当噪声源具有良好的源匹配并且被测件直接连接时，测试可获得良好的精度。由图5，低噪声放大器的实际噪声指数为0.7 dB，与仿真数据接近，验证了仿真对于实际设计的指导意义。
4结束语
给出了一种实用的GPS前端低噪声放大器的设计方案。在满足高增益要求的前提下，可以得到0.7dB的噪声性能，测试方法由文献[6]给出。可以作为移动通信终端搭载的GPS前端LNA的备选方案。
参考文献：
[1] Shaeffer D K， Lee T H， A 1.5-V，1.5-GHz COMS low noise amplifier， IEEE Journal Solid-State， Vol. 32， No. 5， May. 1997， pp. 745-759.
[2] Ludwig R， Bretchko P，RF Circuit Design，Theory，and Applications，Englewood Cliffs，NJ：Prentice Hall，2000，pp. 309 -328.
[3] Wevers G， A high IIP3 low noise amplifier for 1900 MHz applications using the SiGe BFP620 transistor， Applied Microwave and Wireless，2003， pp. 64 -80.
[4]Gilmore R， Besser L，Practical RF circuit design for modern wireless systems，Vol.ΙΙ：Active circuit and systems， Artech House，INC.， pp. 75-85.
[5] Razavi B， RF Microelectronics， Englewood Cliffs，NJ ：Prentice Hall，1998.
[6]Application Note 1281，A hign IIP3 balanced low noise amplifier for cellular base station applications，Agilent Technologies，February 2002.
作者简介：
尹兴（1983-），男，中国电子科技集团公司第54研究所，工程师，从事射频电路研究和设计。
关键词：GPS前端；低噪声放大器；高增益；移动台
0引言
GPS导航设备随着嵌入移动终端产品得以普及，而手持终端产品对于GPS系统提出的要求是满足定位精度的前提下降低使用成本。这种使用成本不仅是包括设备本身的成本，还包括GPS系统在使用过程中的能量损耗（源于对功耗的敏感性）这对于手持设备是至关重要的。在功耗满足的情况下，低噪声放大器的设计回归到普遍的低噪声放大器设计流程，而资用功率设计法成为此流程的基本方法。
1资用功率设计法
由于GPS的信号非常微弱，接收机前端接收到的信号功率为-130dBm到-133dBm[1]，此信号非常微弱，已经淹没在噪声里。GPS接收前端电路对GPS的信号捕捉至关重要。设计性能优秀的低噪声放大器和干扰滤波器是保证GPS接收器正常工作的前提。简单说来，资用功率设计法就是在将源阻抗匹配在最佳噪声源阻抗后，最大限度的提高负载的匹配程度，以得到最大的增益。图1给出了本设计的原理图。以下就实际的设计考量进行讨论。
2 GPS低噪声放大器设计
2.1直流偏置
将射频三极管偏置在合适的工作点应该是低噪声放大器设计的第一步。从不同的应用出发，直流馈电电路的选择是不同的。考虑到终端产品对成本和性能的要求，选择较为简单的电阻反馈偏执电路，R1和R2馈入直流，且R2提供稳定工作点所需的直流负反馈。直流工作点的选择出发点在于增益、线性度、噪声指数和功耗的折中。高的静态电流有利于提高增益和线性度，但是噪声指数也会随着集电极电流的增加而增加，同时大电流也会增加功耗。分析厂商给的数据知道，BFP740F在漏极电流为10mA左右时，可获得较好的噪声系数指标，是我们设置直流偏执的依据。
2.2稳定性考虑
放大器的潜在不稳定性是设计过程中必须考虑的问题，基于此，设计目标是在全频段的无条件稳定，这意味着对于放大器的输入端和输出端加载任意阻抗，电路都不会有振荡现象出现[2]。无条件稳定的充分必要条件由Rollett稳定系数给出。利用晶体管供应商提供的S2P文件，很容易在仿真软件中的得到K值。在没有任何稳定措施的情况下，三极管在低于7.5GHz的频带上都是潜在不稳定的。在低于8GHz的频段上，引入两种方法将射频管保持绝对稳定。引入稳定电阻R3，此电阻会恶化放大器的增益和压缩点，通过调节阻值来使这种影响降到最低。在共射模式工作的管子射极与地间串入一小段电感，以增加反馈的方式提高稳定性能[3]。通过仿真，得到这段电感的值为 0.2nH。通过两段并联微带线（0.1mm×1.5mm）来实现此电感，如图2（a）。稳定后的晶体管Rollett系数值由图2（b）给出，晶体管在全频段达到稳定状态。
2.3噪声匹配
对低噪声放大器性能考察的出发点应该是噪声系数，为达到噪声系数的要求，有理由对增益，驻波等其他指标作妥协。较高的电流有利于增益的调高和线性度的改善，但是会使噪声系数恶化。对单级放大器而言，噪声系数NF由下式给出：
其中NFmin 为晶体管最小噪声系数，由晶体管本身决定，Γopt ，Rn ，Γs 分别为获得NFmin 时的最佳源反射系數、晶体管等效噪声电阻、以及晶体管输入端的源反射系数。晶体管的源端所接信号源的阻抗等于它所要求的最佳源阻抗时，由该晶体管构成的放大器的噪声系数最小[4]。然而，最佳噪声匹配源阻抗一般都不是满足最大增益时的源阻抗，因此，需要进行噪声和增益的折中。本设计将源阻抗匹配在噪声系数低于0.7dB的情况下，此源阻抗可得到至少22dB的增益。源阻抗确定后，只需将负载端进行共轭匹配[5]。
2.4仿真验证
通过CAD软件模拟低噪放的噪声系数和增益。图3给出了噪声系数的仿真结果。容易看出，在完全噪声匹配的情况下，可以得到0.619dB的噪声系数，如Mark1所示。考虑到与增益的折中，最终的噪声系数仿真数据为Mark2所示的0.671dB。由散射参数仿真可以得到放大器的增益特性，由图4，可获得21.6dB的前向增益。
3噪声系数测试
低噪声放大器的实际测试使用Y因子方法，Y因子方法使用一个与被测件输入端直接连接的噪声源，提供两个输入噪声电平。Y因子方法易于使用，特别是当噪声源具有良好的源匹配并且被测件直接连接时，测试可获得良好的精度。由图5，低噪声放大器的实际噪声指数为0.7 dB，与仿真数据接近，验证了仿真对于实际设计的指导意义。
4结束语
给出了一种实用的GPS前端低噪声放大器的设计方案。在满足高增益要求的前提下，可以得到0.7dB的噪声性能，测试方法由文献[6]给出。可以作为移动通信终端搭载的GPS前端LNA的备选方案。
参考文献：
[1] Shaeffer D K， Lee T H， A 1.5-V，1.5-GHz COMS low noise amplifier， IEEE Journal Solid-State， Vol. 32， No. 5， May. 1997， pp. 745-759.
[2] Ludwig R， Bretchko P，RF Circuit Design，Theory，and Applications，Englewood Cliffs，NJ：Prentice Hall，2000，pp. 309 -328.
[3] Wevers G， A high IIP3 low noise amplifier for 1900 MHz applications using the SiGe BFP620 transistor， Applied Microwave and Wireless，2003， pp. 64 -80.
[4]Gilmore R， Besser L，Practical RF circuit design for modern wireless systems，Vol.ΙΙ：Active circuit and systems， Artech House，INC.， pp. 75-85.
[5] Razavi B， RF Microelectronics， Englewood Cliffs，NJ ：Prentice Hall，1998.
[6]Application Note 1281，A hign IIP3 balanced low noise amplifier for cellular base station applications，Agilent Technologies，February 2002.
作者简介：
尹兴（1983-），男，中国电子科技集团公司第54研究所，工程师，从事射频电路研究和设计。