应用于手机的GPS低噪声有源天线研究与设计

摘要

随着GPS的民用化，制造工艺的进步，以及GPS接收芯片功耗越来越低，GPS运用于手机进行导航也逐渐成为一个研发热点。本文针对应用于手机GPS导航的GPS有源天线进行了研究，并设计了具有较低噪声系数特性的GPS有源天线。 本文首先综述了基于手机GPS有源天线的应用背景以及基于手机GPS有源天线、GPS无源天线的设计难点与研究焦点，是：小型化、高增益、低噪声和隔离等，由此总结出设计中要考虑的问题。本文主要工作：1).分析了GPS信号接收链路中接收点载波功率、等效噪声功率、系统噪声系数、载噪比和灵敏度等指标；阐述了有源天线应用于手机的优势，完成了GPS有源天线技术指标的分配。2).对GPS有源天线中关键部件GPS微带天线进行了详细的分析讨论，对小型化GPS天线进行了理论分析与设计，并采用刻槽、短路针加载方式实现了天线的小型化。再应用AnsoftHFSS仿真软件对所设计的GPS天线进行了优化设计，并采用聚四氟乙烯介质基板材料实验制作了GPS微带天线。3).对有源电路中的关键指标如稳定性、增益、最佳噪声、线性度进行了研究和合理设计，采用ADS仿真器优化设计了有源电路中的关键部分-GPS低噪声放大器电路，根据电原理图设计了电路版图，实际采用NEC公司双极性晶体管2SC5508制作了有源电路。4).完成了整个GPS有源天线的制作，对实际制作的GPS无源天线、有源电路、GPS有源天线进行了测试，实测结果显示该有源天线性能满足了GPS通信链路的要求。 论文给出了本设计实际测量数据：GPS无源天线阻抗带宽为10MHz左右，在f=1575.4MHz回波损耗值为17.460dB；实测的有源电路噪声系数可达0.95dB，增益达16.9dB，1dB压缩点为-14.48dBm，功耗为15mW左右。实测的GPS有源天线增益最高为16dBi，在f=1575.4MHz回波损耗值为12.15dB。 本文所设计的GPS有源天线具有噪声系数低，增益高的特点，各项性能指标较好地满足应用于手机GPS导航的要求。

目录

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第一章绪论

1.1 课题研究的背景、目的和内容

1.2 有源天线的介绍

1.3 GPS天线国内外研究概况

1.4 论文的组织结构

第二章GPS有源天线在接收链路中的性能设计

2.1 GPS组成

2.2 GPS信号接收链路的分析

2.2.1 GPS接收功率计算

2.2.2 GPS接收系统的等效噪声功率

2.2.3 GPS接收机入口的载噪比

2.2.4 收信解调的条件(灵敏度)

2.3 GPS有源天线的结构及优势

2.3.1 GPS有源天线结构

2.3.2 GPS有源天线的优势

2.4 GPS有源天线的指标分配

2.4.1 GPS天线

2.4.2 有源电路

2.4.3 馈线

2.5 小结

第三章GPS无源天线设计

3.1 微带天线的工作原理

3.1.1 微带天线的辐射机理

3.1.2 微带天线的分析方法

3.2 GPS天线小型化和圆极化

3.2.1 GPS天线的小型化

3.2.2 GPS天线的圆极化

3.3 GPS天线设计

3.3.1 GPS天线理论计算与分析

3.3.2 GPS天线设计和性能仿真

3.4 小结

第四章有源电路设计

4.1 噪声特性

4.1.1 天线噪声

4.1.2 晶体管噪声

4.1.3 噪声系数

4.2 线性度

4.3 增益和稳定性

4.4 有源电路设计

4.4.1 有源电路设计指标

4.4.2 晶体管器件选型

4.4.3 稳定性系数计算与稳定性匹配

4.4.4 放大器增益和噪声系数确定

4.4.5 噪声匹配以及输入、输出匹配电路设计

4.4.6 直流偏置电路

4.4.7 有源电路整体设计

4.5 总结

第五章GPS有源天线的实验与结果分析

5.1 GPS有源天线的设计方法

5.2 有源天线设计结果

5.3 GPS无源天线部分实验制作与实测结果

5.4 有源电路的实验制作与实测结果

5.5 GPS有源天线整体的制作

5.6 GPS有源天线的测试结果分析

5.7 小结

总结

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表和完成的论文

致谢