畢娜娜， 劉德喜

(北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076)

GPS分路放大器的設(shè)計(jì)

畢娜娜， 劉德喜

(北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076)

傳統(tǒng)的機(jī)載GPS天線與飛行員手持接收機(jī)之間存在有線連接，會(huì)影響飛行員應(yīng)急逃生。為解決這個(gè)問(wèn)題，在新的GPS座艙接收系統(tǒng)中加入GPS分路放大器和GPS無(wú)源發(fā)射天線組成的GPS轉(zhuǎn)發(fā)裝置，將GPS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給GPS手持機(jī)。它是一個(gè)無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)接收系統(tǒng)，當(dāng)危險(xiǎn)狀況出現(xiàn)時(shí)，有利于飛行員應(yīng)急逃生。采用成熟的傳輸線理論和有源電路分析方法對(duì)其中的GPS分路放大器進(jìn)行理論分析和仿真設(shè)計(jì)，電路實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性和設(shè)計(jì)參數(shù)的正確性。

分路放大器； 無(wú)源發(fā)射天線； 轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)

引 言

放大電路的主要功能是放大電信號(hào)。無(wú)論是在通信、廣播、雷達(dá)，還是在自動(dòng)控制、電子測(cè)量等電子設(shè)備中，放大電路都是必不可少的組成部分[1]。

射頻放大器與常規(guī)低頻電路的設(shè)計(jì)方法不同，它需要考慮一些特殊的因素，尤其是入射電壓波和入射電流波都必須與有源器件良好匹配，以便降低電壓駐波比，避免寄生振蕩。也正是由于這個(gè)原因，穩(wěn)定性分析常作為射頻放大器設(shè)計(jì)的第一個(gè)步驟。穩(wěn)定性分析以及增益圓、噪聲系數(shù)圓都是放大器電路設(shè)計(jì)所必需的基本要素，依據(jù)這些要素才能設(shè)計(jì)出符合增益、增益平坦度、輸出功率、帶寬和偏置條件等苛刻要求的放大器[2]。

GPS分路放大器在整個(gè)GPS座艙接收系統(tǒng)中處于低噪聲放大器之后、手持接收機(jī)之前，所以其主要作用是補(bǔ)償無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)鏈路上損失的增益，與GPS無(wú)源天線一起完成對(duì)手持機(jī)的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)功能，它對(duì)噪聲要求不高。由此可見，本文設(shè)計(jì)的主要關(guān)注要素是增益、駐波比和端口的隔離度。

1 GPS分路放大器分析及仿真

為提高設(shè)計(jì)效率，獲得最佳的電路性能，首先用傳輸線理論和有源電路分析方法對(duì)GPS分路放大器的鏈路進(jìn)行理論估算，然后采用Ansoft公司的Serenade 8.7軟件對(duì)電路進(jìn)行建模仿真，之后導(dǎo)出版圖，用ADS軟件的Momentum對(duì)版圖進(jìn)行最終的電磁場(chǎng)環(huán)境仿真。

1.1 鏈路增益分析及計(jì)算

原有的GPS接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)轉(zhuǎn)發(fā)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的GPS接收系統(tǒng)具備轉(zhuǎn)發(fā)功能，手持機(jī)采用無(wú)線接收方式，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 有轉(zhuǎn)發(fā)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1系統(tǒng)和圖2系統(tǒng)的比較，可以看出兩個(gè)機(jī)載座艙GPS接收系統(tǒng)的顯著區(qū)別。

圖1所示是傳統(tǒng)的GPS接收系統(tǒng)。二分路器一端通過(guò)輸出同軸給前端的L頻段低噪聲放大器饋電，另一端通過(guò)射頻電纜將L頻段低噪聲放大器接收放大的信號(hào)傳輸?shù)紾PS手持機(jī)。

圖2所示是改進(jìn)后的GPS接收系統(tǒng)。GPS分路放大器采用一體化設(shè)計(jì)，將二分路器內(nèi)置，與GPS放大器一體化設(shè)計(jì)，完成分路放大功能。其一端如圖2所示，連接供電端，一方面給前端的L頻段低噪聲放大器供電，另外還要給GPS放大器自身供電。另一端通過(guò)射頻電纜級(jí)聯(lián)GPS無(wú)源發(fā)射天線，給艙內(nèi)的設(shè)備傳輸無(wú)線信號(hào)。

鏈路電路的增益主要用于補(bǔ)償系統(tǒng)上變化的那一部分鏈路損耗，如圖2所示，兩個(gè)GPS接收系統(tǒng)相比區(qū)別在于GPS無(wú)源發(fā)射天線增益約為4dB，發(fā)射天線距離艙內(nèi)手持機(jī)設(shè)備約為0.5m，根據(jù)理論計(jì)算，空間損耗約為30dB。所以GPS放大器需要補(bǔ)償?shù)脑鲆姹仨毚笥?6dB。

根據(jù)以上理論計(jì)算，GPS分路放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求為：工作頻率1590±17MHz；增益≥32dB；噪聲系數(shù)≤8dB；端口(P2、P3)隔離度＞30dB；輸入、輸出駐波比 ≤2∶1；工作電流≤150mA，+5VDC；1dB壓縮點(diǎn)輸出功率≥+5dBm。

1.2 電路仿真及計(jì)算

1.2.1 電路仿真模型建立

GPS分路放大器設(shè)計(jì)中不再選用集成的功分器，而是采用微帶功分器。GPS放大器采用兩個(gè)MMIC放大器級(jí)聯(lián)，由于其在整個(gè)接收系統(tǒng)中的位置處于后端，其噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響較小，故不需要設(shè)計(jì)為低噪聲放大器。GPS分路放大器仿真圖示于圖3，仿真軟件為Ansoft公司的Serenade 8.7。

圖3 GPS分路放大器仿真圖

如圖3所示，前端為二分路器，1端口為射頻輸入端，2端口為供電端，3端口為射頻輸出端。

1.2.2 電路仿真結(jié)果

GPS分路放大器的工作頻率為1590±17MHz，用仿真軟件Serenade 8.7對(duì)電路的關(guān)鍵指標(biāo)(增益、駐波比以及端口隔離度)進(jìn)行仿真，在仿真曲線中對(duì)帶內(nèi)不同區(qū)間的頻點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注，使數(shù)據(jù)更加直觀，如圖4所示。

由圖4的仿真結(jié)果可知，在1590±17MHz的工作頻帶內(nèi)，增益大于34dB，完全滿足指標(biāo)增益≥32dB的要求。

由圖5端口隔離度的仿真結(jié)果可知，在1590±17MHz的工作頻帶內(nèi)，隔離度大于100dB，滿足指標(biāo)隔離度大于30dB的要求。

由圖6端口駐波比的仿真結(jié)果可知，在1590±17MHz的工作頻帶內(nèi)，P1、P2、P3端口的駐波比均小于1.2∶1，滿足指標(biāo)駐波比≤2∶1的要求。

圖4 增益(S31)仿真結(jié)果

圖5 端口隔離度(S23)仿真結(jié)果

圖6 端口駐波比仿真結(jié)果

1.2.3 Momentum模型建立

GPS分路放大器的電路中，包含分立和集總元器件，為了使仿真結(jié)果更加貼近實(shí)際，用Serenade軟件中的S2A layout附件將電路模型生成電路布局圖，然后放入ADS2008軟件中，完成mesh(網(wǎng)格)定義，進(jìn)行兩維半的電磁場(chǎng)仿真，仿真模型如圖7所示。

1.2.4 Momentum模型仿真結(jié)果

將圖8的增益仿真結(jié)果與圖4進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)增益數(shù)據(jù)基本沒(méi)有變化，在工作頻帶內(nèi)均大于33.8dB。

將圖9的駐波比仿真結(jié)果與圖6進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)P2、P3端口駐波比數(shù)據(jù)基本沒(méi)有變化，而P1端口駐波比明顯惡化至1.5∶1。

將圖10的隔離度仿真結(jié)果與圖5進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)端口隔離度明顯惡化，由100dB降為53dB。

綜上所述，電磁場(chǎng)仿真結(jié)果跟電路仿真結(jié)果作比較，增益性能沒(méi)有明顯改變，P1端口駐波比、端口隔離度指標(biāo)有明顯惡化，駐波比惡化至1.5，端口隔離度惡化至53dB左右，但仍然滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

圖7 layout仿真模型

圖8 增益(S31)仿真結(jié)果(Momentum模型)

圖9 端口駐波比仿真結(jié)果(Momentum模型)

圖10 端口隔離度(S23)仿真結(jié)果(Momentum模型)

2 實(shí)物測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述理論分析及仿真結(jié)果，確定了最終的GPS分路放大器電路設(shè)計(jì)，實(shí)物的設(shè)計(jì)版圖如圖11所示。

實(shí)物指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1所示。測(cè)試儀器：①E8363B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；②N8975A噪聲系數(shù)測(cè)試儀。測(cè)試環(huán)境：常溫。測(cè)試頻率：1590±17MHz。

圖11 實(shí)物電路版圖

表1 實(shí)物測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在理論分析的基礎(chǔ)上，利用Serenade軟件對(duì)GPS分路放大器設(shè)計(jì)方案進(jìn)行原理圖模型創(chuàng)建，將生成的電路版圖導(dǎo)入ADS軟件的Momentum中，進(jìn)行電磁場(chǎng)環(huán)境下的電路仿真，仿真結(jié)果與實(shí)物測(cè)試結(jié)果相吻合。Serenade軟件在電路模型的建立、電路版圖的生成上提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了研制周期。而ADS軟件的Momentum模型仿真則對(duì)電磁場(chǎng)環(huán)境中的微帶等部分進(jìn)行了更加細(xì)致的二維場(chǎng)仿真，獲得優(yōu)化的放大器性能。電路實(shí)測(cè)結(jié)果均能達(dá)到系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)要求，表明該設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。

[1]李雅軒.模擬電子技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

[2]Reinhold Ludwig and Pavel Bretchko.RF Circuit Design：Theory and Applications[M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2002：326.

Design of GPS Splitter Amplifier

Bi Nana， Liu Dexi

Because of the cable connection between the traditional airborne GPS antenna and the pilot handset receiver，the pilot emergency evacuation may be affected.To solve this problem，the new GPS cockpit receiving system adds a GPS forwarding device，which consists of the GPS splitter amplifier and the GPS passive transmitting antenna.The GPS signal is transmitted to the GPShandset receiver in the wireless forwarded receiving system.When the dangerous case occurs，the system could help the pilots escape quickly.The GPSsplitter amplifier is analyzed and simulated based on the transmission line theory and active circuitanalysis method.The circuitmeasurement results verify the feasibility of the designmethod and the accuracy of the design parameters.

Splitter amplifier； Passive transmitting antenna； Forwarding system

TN722.3

B

CN11-1780(2014)06-0029-04

2013-10-10 收修改稿日期：2014-04-18

畢娜娜 1980年生，大學(xué)本科，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⒉娐放c系統(tǒng)。

劉德喜 1973年生，碩士，研究員，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⒉ê撩撞娐放c系統(tǒng)、電磁兼容等。