一種五天線雙頻點(diǎn)GPS接收機(jī)射頻前端設(shè)計(jì)

吳 越，鄭建生，劉 鄭

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢430079)

隨著GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展，對(duì)GPS接收機(jī)的性能提出了進(jìn)一步的要求，從傳統(tǒng)的單頻接收機(jī)到雙頻接收機(jī)，再到多天線雙頻接收機(jī)，使接收機(jī)能同時(shí)處理多路GPS信號(hào)。多天線雙頻GPS接收機(jī)射頻前端的研究[1]可以提高國(guó)內(nèi)GPS接收機(jī)的水平，同時(shí)也能為我國(guó)自己的北斗導(dǎo)航定位技術(shù)提供借鑒，為今后高性能導(dǎo)航接收機(jī)的開(kāi)發(fā)打下良好的基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，5路天線輸入對(duì)應(yīng)天線 1、天線 2、天線 3、天線 4、天線 5，其中天線 1和天線5的信號(hào)處理電路完全相同：包括依次連接的低噪聲放大器 LNA(Low Noise Amplifier)、二功分器、后續(xù)信號(hào)調(diào)理電路，并且具有兩條鏈路最終同時(shí)輸出GPS L1和 GPS L2中頻信號(hào)；天線 2、天線 3和天線 4的信號(hào)處理電路完全相同：包括依次連接的低噪聲放大器LNA和后續(xù)信號(hào)調(diào)理電路，只有一條鏈路并最終輸出GPS L2中頻信號(hào)。后續(xù)信號(hào)調(diào)理電路包括依次連接的射頻放大單元、下混頻器、中頻IF(Intermediate Frequency)濾波器、IF放大器、可變?cè)鲆娣糯笃鱒GA(Variable Gain Amplifier)，射頻放大單元包括兩級(jí)射頻RF（Radio Frequency）濾波器以及位于兩級(jí)RF濾波器之間的RF放大器。天線輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲放大器放大后，通過(guò)RF濾波器選擇GPS L1頻點(diǎn)1 575.42 MHz或GPS L2頻點(diǎn)1 227.6 MHz并濾除帶外噪聲及干擾，提高鏡頻抑制；濾波之后的信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)放大后進(jìn)入混頻器與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，輸出46.035 MHz的中頻信號(hào)；中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)IF濾波和IF放大后進(jìn)入VGA單元，通過(guò)控制電平?jīng)Q定VGA這一級(jí)的增益，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最終輸出功率可調(diào)。

如圖1所示，各條鏈路都需要為混頻器提供本振信號(hào)，輸出GPS L1中頻信號(hào)的鏈路對(duì)應(yīng)的本振信號(hào)為本振 a：1 529.385 MHz，本振 a與 GPS L1頻點(diǎn)1 575.42 MHz混頻得到46.035 MHz中頻輸出；輸出GPS L2中頻信號(hào)的信號(hào)鏈路對(duì)應(yīng)的本振信號(hào)為本振b：1 181.565 MHz，本振b與GPS L2頻點(diǎn)1 227.6 MHz混頻得到 46.035 MHz中頻輸出。最后一級(jí)VGA的增益控制電平由MCU配合多通道DA產(chǎn)生，每一路電壓由5位撥碼開(kāi)關(guān)控制，因而可以實(shí)現(xiàn)32級(jí)可調(diào)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

2.1 低噪聲放大器LNA

在無(wú)線通信領(lǐng)域，為了提高接收信號(hào)的靈敏度，一般在接收機(jī)的最前端采用低噪聲放大器，最前端放大器的噪聲系數(shù)和增益對(duì)整個(gè)接收機(jī)的噪聲系數(shù)起決定作用[2]。其次低噪聲放大器的輸入信號(hào)來(lái)自天線。為了實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，低噪放的輸入端與天線之間要求阻抗匹配。此外，還要考慮功率增益、功耗。本系統(tǒng)天線接收的是一個(gè)寬帶信號(hào)(1 575.42-1 227.6=347.82 MHz)，這就決定了系統(tǒng)必須采用工作頻段包含1.2 GHz～1.6 GHz的寬帶低噪放大器，綜合考慮最后選擇美國(guó)萬(wàn)通公司的GPS雙頻專用低噪聲放大器WHM14-3020AE，其工作頻率為1.2 GHz～1.6 GHz，固定增益為32 dB，噪聲系數(shù)為0.5 dB，輸入/輸出VSWR：1.22：1，輸出 1 dB壓縮點(diǎn)為 10 dBm。它的各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了非常完美的程度，而且芯片內(nèi)部已經(jīng)做好了阻抗匹配，所以信號(hào)輸入/輸出端口不需要做任何匹配，為電路的調(diào)試帶來(lái)了極大的方便。

2.2 二功分器

功分器有插入損耗、隔離度、工作頻帶、相位不平衡度、功率不平衡度、電壓駐波等各種指標(biāo)，本系統(tǒng)信號(hào)的頻率范圍為1.2 GHz～1.6 GHz，所以在選擇功分器時(shí)首先要滿足這個(gè)頻帶范圍的要求，其次插入損耗和VSWR越小越好，隔離度越大越好。本設(shè)計(jì)選取Mini-Circuits公司的BP2G1+無(wú)源功分器，其衰減小，頻帶寬，平坦度好，插入損耗小，隔離度高，能很好地滿足本系統(tǒng)的要求。

2.3 RF濾波器

射頻頻濾波器也稱為預(yù)選器，主要用來(lái)預(yù)選頻段并抑制鏡像干擾、帶外干擾和各種噪聲。在選擇射頻濾波器時(shí)，主要考慮通帶帶寬、帶內(nèi)平坦度、帶外衰減以及插入損耗[3]。根據(jù)上述要求，本設(shè)計(jì)選擇聲表面濾波器。聲表面波濾波器具有體積小、重量輕、性能可靠、不需要復(fù)雜調(diào)整等特點(diǎn)，而且?guī)?nèi)不平坦度僅為±0.3～±0.5 dB，群時(shí)延±30～±50 ns，矩形系數(shù)好，帶外抑制可達(dá) 40 dB以上。針對(duì)L1、L2頻點(diǎn)的射頻濾波器分別選用TA0549、TA0490A，表1為兩濾波器性能指標(biāo)。

表1 射頻濾波器的性能

2.4 RF放大器

由于天線輸入的信號(hào)很微弱，前級(jí)LNA的30 dB增益還不夠大，而且RF濾波器在濾波的同時(shí)會(huì)帶來(lái)信號(hào)的損耗，因而在兩級(jí)RF濾波器之間加入一級(jí)RF放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大。本設(shè)計(jì)選用固定增益34 dB的射頻放大器BGA430，BGA430帶內(nèi)平坦，增益大，內(nèi)部已做好匹配，使用簡(jiǎn)單。

2.5 混頻器

本設(shè)計(jì)選用MAX2682作為系統(tǒng)的混頻器。MAX2682典型應(yīng)用電路如圖2所示[4]。

圖2 MAX2682典型應(yīng)用電路

圖 2是 MAX2682的典型應(yīng)用電路，其中 Z1、Z2、Z3是 RF輸入端口的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，L1、R1、C2是 IF輸出端口的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，C1為本振端口的隔直電容，C3、C4、C5為電源濾波電容。根據(jù)MAX2682的芯片資料可以查出，當(dāng)輸入射頻信號(hào)為1 575.42 MHz時(shí)輸入匹配網(wǎng)路為：Z1=0、Z2=270 pF、Z3=2.2 nH；當(dāng)輸入射頻信號(hào)為1 227.6 MHz時(shí)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)為：Z1=1.5 pF、Z2=270 pF、Z3=10 nH；當(dāng)輸出中頻信號(hào)為46.035 MHz時(shí)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)為：L1=390 nH、R1=250 Ω、C2=39 pF。本設(shè)計(jì)中所需的本振信號(hào)由定制的本振單元提供。

2.6 IF濾波器

IF濾波器是一個(gè)中心頻率為某一固定值的帶通濾波器，它是一個(gè)頻率選擇部件，可以通過(guò)某些頻率的信號(hào)來(lái)抑制或衰減另外一些頻率的信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用訂制的IF濾波器CF46-13，其中心頻率為46.035 MHz，3 dB帶寬為13 MHz，中心頻率±8 MHz處帶外抑制達(dá)到 45 dB，帶內(nèi)平坦度優(yōu)于±0.3 dB，插入損耗為22.5 dB。考慮到減小插入損耗值和提高帶內(nèi)平坦度，濾波器需要外接匹配網(wǎng)絡(luò)，具體電路如圖3所示。

圖3 中頻濾波器應(yīng)用電路

2.7 IF放大器

考慮到中頻濾波器有22.5 dB的插損，為了彌補(bǔ)這個(gè)損耗，本系統(tǒng)需要在中頻濾波器后面加入一級(jí)中頻放大器。中頻放大器的主要性能指標(biāo)與低噪放大器類似，本設(shè)計(jì)選用HMC478ST89芯片作為中頻放大器[5]。HMC478ST89管腳較少，電路連接非常簡(jiǎn)單，不需要輸入輸出阻抗匹配，在46 MHz附近增益為22 dB且增益很平坦。在設(shè)計(jì)HMC478ST89的外圍電路時(shí)，主要考慮饋電電路。這款放大器是+5 V～+8 V寬范圍電壓供電，不同的供電電壓需要不同的偏置電阻。本設(shè)計(jì)采用了+5 V的供電電壓，因此偏置電阻為18 Ω。饋電時(shí)采用高頻電感饋電方式，即在電源與芯片的電源引腳間接入一繞線電感。本設(shè)計(jì)中饋電電感采用270 nH，具體電路如圖4所示。

圖4 HMC478ST89應(yīng)用電路

2.8 VGA放大器

射頻接收單元在接收信號(hào)時(shí)，由于干擾源的距離和來(lái)向等因素，其輸入端信號(hào)電平在很大范圍內(nèi)變化。而輸出功率是隨外來(lái)信號(hào)的大小而變化的，所以輸出端會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)弱非常懸殊的信號(hào)功率。但是ADC采樣都有一個(gè)比較合適的信號(hào)功率范圍，超出這個(gè)范圍ADC采樣的效果就很差，所以必須在ADC采樣之前加上一個(gè)增益可以控制的電路。本系統(tǒng)采用撥碼開(kāi)關(guān)控制單片機(jī)的DAC輸出，使其在負(fù)載電阻上產(chǎn)生控制增益變化的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)VGA增益的控制。這里采用ADI公司推出的一款可變?cè)鲆鎲味薎F放大器AD8367，該芯片帶有可控制線性增益的高性能45 dB可變?cè)鲆娣糯笃?，并可以在低?00 MHz的頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定工作[6]。

2.9 本振單元和MCU單元

本設(shè)計(jì)中混頻器AD8367所需要的本振a和本振b由本振單元提供。由于系統(tǒng)對(duì)本振信號(hào)的頻率和功率有較高要求，因而采用定制的本振發(fā)生單元。該單元產(chǎn)生功率恒定的兩路本振信號(hào)：1 529.385 MHz和 1 181.565 MHz，即圖1中的本振a和本振b，然后兩路本振信號(hào)經(jīng)過(guò)功分器產(chǎn)生多路本振信號(hào)提供給7路混頻器。由于VGA模塊需要增益控制電平，因而采用單片機(jī)和多通道DA配合產(chǎn)生多路控制電平去控制各路增益，本設(shè)計(jì)選用Silicon公司的C8051F066單片機(jī)配合8通道DA芯片DA8568產(chǎn)生圖1中所需的7路控制電平。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試儀器與設(shè)備

信號(hào)源采用Rohde&Schware SMB100A Signal Generator，頻率范圍為 9 kHz～6 GHz。頻譜儀采用 Rohde&Schware FSC6.Spectrum Analyzer，頻率范圍為 9 kHz～6 GHz。

3.2 測(cè)試結(jié)果與分析

GPS L1和GPS L2對(duì)應(yīng)的46.035 MHz中頻信號(hào)輸出波形分別如圖5、圖6所示（VGA增益調(diào)節(jié)為最大，5位撥碼開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)11111）。

圖5 GPS L1中頻輸出（最大增益）

圖6 GPS L2中頻輸出（最大增益）

GPS L1和GPS L2對(duì)應(yīng)的46.035 MHz中頻信號(hào)輸出波形分別如圖7、圖8所示（VGA增益調(diào)節(jié)為最小，5位撥碼開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)00000）。

圖7 GPS L1中頻輸出（最小增益）

圖8 GPS L2中頻輸出（最小增益）

由測(cè)試結(jié)果可知，GPS L1和GPS L2的中頻輸出均為準(zhǔn)確的46.035 MHz，帶寬為中頻濾波器的帶寬，帶內(nèi)平坦，帶外噪聲得到抑制；最大輸出功率約為0 dBm而且輸出功率可以在0 dBm～-31 dBm之間以1 dBm的步進(jìn)調(diào)節(jié)。這樣的中頻輸出信號(hào)可以很好地滿足后級(jí)需求。

[1]張力敏.全球定位系統(tǒng)射頻前端電路設(shè)計(jì)[D].大連：大連海事大學(xué)，2009.

[2]王寧章，高雅，寧吉，等.3 GHz-5 GHz超寬帶噪聲系數(shù)穩(wěn)定的低噪聲放大器[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2013，39(7)：31-35.

[3]張濤.雙頻GPS接收機(jī)射頻前端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：武漢大學(xué)，2008.

[4]MAXIM.MAX2680/MAX2681/MAX2682 datasheet[Z].2003.

[5]Hittite Microwave Corporation.GaAs MMIC amplifier HMC478 data sheet[Z].2002.

[6]Anolog Devices.500 MHz，Linear-in-dB VGA with AGC detector AD8367 data sheet[Z].2004.