一種北斗多模兼容小型化用戶機(jī)設(shè)計(jì)方案

2016-03-22 05:36:31安徽四創(chuàng)電子股份有限公司鄭銀福

電子世界 2016年2期

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司　鄭銀福

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司鄭銀福

【摘要】本文簡述了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及一種北斗多模兼容小型化用戶機(jī)的工作原理及設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】北斗多模兼容；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航；授時(shí)

1　引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是中國正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可分為北斗一代導(dǎo)航系統(tǒng)和北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)，主要由空間段、地面段和用戶段三部分組成，本文主要介紹的是作為北斗一代用戶端的用戶機(jī)，兼容北斗二代和GPS精確定位、授時(shí)功能。北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可提供區(qū)域性定位、導(dǎo)航、授時(shí)、短報(bào)文通信等服務(wù)，主要應(yīng)用在水文測報(bào)、油田監(jiān)控、森林防火、抗洪搶險(xiǎn)、列車調(diào)度、漁政監(jiān)控、科考探險(xiǎn)和珠穆朗瑪峰登山等方面。

2　產(chǎn)品特點(diǎn)

北斗多模兼容小型化用戶機(jī)包括北斗一代低噪聲放大器、收發(fā)通道、功率放大器，以及基帶信號(hào)處理單元和北斗二代B1、GPS的射頻單元以及基帶信號(hào)處理單元。

3　方案設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品主要由用戶機(jī)、多芯電纜、電源模塊組成，功能主要有北斗一代的定位及通信、北斗二代和GPS的精確定位、授時(shí)。正常工作時(shí)，將該用戶機(jī)置于室外無遮擋位置，電源模塊通過多芯電纜給用戶機(jī)供電，天線接收衛(wèi)星信號(hào)后通過放大器、通道、基帶后計(jì)算出定位、授時(shí)信息，通過串口傳送給用戶終端，再由用戶終端顯示出有用的信息。當(dāng)用戶需要傳遞信息通信時(shí)，由用戶終端發(fā)送BPSK的數(shù)字信號(hào)給用戶機(jī)，用戶機(jī)將BPSK信號(hào)調(diào)制到射頻載波上，同時(shí)控制功率放大器打開，將載波信號(hào)放大傳遞給天線發(fā)射出去，實(shí)現(xiàn)通信功能。該產(chǎn)品首先從系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能方面考慮，結(jié)合功能將系統(tǒng)分為幾大部分，結(jié)合系統(tǒng)整體指標(biāo)，分配給各分系統(tǒng)相應(yīng)的分系統(tǒng)指標(biāo)，各分系統(tǒng)根據(jù)各自分系統(tǒng)的指標(biāo)要求進(jìn)行初步設(shè)計(jì)、仿真、完成最終設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)方面結(jié)合外形美觀、實(shí)用、便于安裝等特點(diǎn)以及系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)的防水密封性、各模塊分布、屏蔽等特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合電路部分統(tǒng)籌考慮最終完成該用戶機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

在項(xiàng)目的具體設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)采用較為成熟的低噪聲放大器以及功放電路方案，射頻收、發(fā)通道采用北斗一代已經(jīng)成熟的芯片方案，可以大大降低成本和減小體積以及調(diào)試工作量。在一體化設(shè)計(jì)和電磁兼容問題解決方案中，我們盡量采用腔體隔離方案來減少收、發(fā)之間的串?dāng)_，射頻和基帶之間采用模擬電和數(shù)字電分開以及模擬地和數(shù)字地分開的方案來解決模擬和數(shù)字之間的干擾問題；在天線設(shè)計(jì)中通過不同頻率天線的層疊設(shè)計(jì)技術(shù)來增加天線之間的隔離度以及將接地板做成錐臺(tái)形狀來增加天線低仰角的增益；模塊中各部分內(nèi)部采用了單片化、集成化、硬連接設(shè)計(jì)，模塊結(jié)構(gòu)采用一體化和工藝化考慮，為以后模塊化生產(chǎn)打下基礎(chǔ)，通過設(shè)計(jì)減少調(diào)試難度、調(diào)試工作量從而降低人力成本和保證產(chǎn)品的合格率。

3.1基本原理及系統(tǒng)組成

接收鏈路中天線接收下來的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)非常微弱，必須經(jīng)過低噪聲放大器放大、濾波、混頻成中頻信號(hào)后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，基帶板對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行算法運(yùn)算得出有用的位置、時(shí)間信息通過串口傳輸給用戶終端設(shè)備。發(fā)射鏈路中，基帶將要發(fā)射的BPSK信號(hào)通過發(fā)射通道芯片調(diào)制到射頻載波上，經(jīng)過功放驅(qū)動(dòng)后進(jìn)行功率放大推動(dòng)發(fā)射天線發(fā)射出去。

北斗多模兼容小型化用戶機(jī)由饋源罩、腔體、天線、低噪聲放大器、通道、功放、基帶信號(hào)處理、電纜、電源模塊等模塊組成，如圖1所示。

3.2天線設(shè)計(jì)方案

由于設(shè)計(jì)天線目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)天線模塊的（BD2 B1/ GPS L1、BD1 L、BD1 S）四個(gè)頻段工作狀態(tài)，并且使得天線的阻抗、軸比帶寬都足夠大。最終選擇了疊層貼片的方式來實(shí)現(xiàn)天線的多頻段。研究過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于疊層貼片想要通過曲流加載來實(shí)現(xiàn)天線的小型化有很大的難度。因?yàn)椴还茉谀膶虞椛滟N片上開槽，一層貼片對(duì)另外一層貼片的耦合效應(yīng)都會(huì)特別嚴(yán)重。因此，最終選擇了一種更為便捷更為直接的實(shí)現(xiàn)天線小型化的方法，即增加介質(zhì)基板的介電常數(shù)。當(dāng)介電常數(shù)增加時(shí)，天線的諧振頻率就會(huì)減小從而間接的縮小了天線的尺寸。

圖3　射頻電路方框圖

圖2　天線結(jié)構(gòu)示意圖

為實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目天線模塊的小型化和高性能的技術(shù)要求，我們采用三個(gè)輻射單元完成對(duì)BD2 B1/GPS L1、BD1 L、BD1 S四個(gè)頻段的覆蓋，各輻射單元獨(dú)自饋電實(shí)現(xiàn)圓極化的技術(shù)方案。對(duì)于BD2 B1/GPS L1頻段的相對(duì)帶寬較寬等特點(diǎn)，采用加厚輻射基板以拓展天線工作帶寬的形式，而BD1 L和BD1 S頻段仍采用單點(diǎn)饋電切角型輻射貼片結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)圓極化。根據(jù)工作頻段的特點(diǎn)和提高B1/L1頻段與L頻段的隔離度的要求，各輻射單元的結(jié)構(gòu)安排如下：下層為諧振于BD1 L頻段的輻射單元，中間層為諧振于BD1 S頻段的輻射單元，最上層為諧振于BD2 B1/GPS L1頻段的輻射單元，其各單元采用中心固定螺釘進(jìn)行固定。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中，為進(jìn)一步提高S頻段的低仰角增益，采用了金屬圓錐臺(tái)的接地板形式，并且通過在S頻段的介質(zhì)基板中加載金屬化過孔的方式，消除了饋電探針的干擾，便于各頻段的圓極化設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3.3射頻電路方案設(shè)計(jì)

射頻電路由低噪聲放大器、射頻通道、功率放大器3部分組成。接收通道中低噪聲放大器第一級(jí)通常采用最低噪聲系數(shù)方法匹配來滿足低噪聲系數(shù)要求，第二級(jí)采用介質(zhì)濾波器或聲表面波濾波器來抑制帶外干擾信號(hào)，第三級(jí)再放大到變頻通道所需的功率。射頻通道采用目前市場上成熟的北斗一代收發(fā)通道芯片，配合周邊配套電路給基帶提供所需要的數(shù)字信號(hào)，以及給基帶提供時(shí)鐘信號(hào)。功率放大器前級(jí)采用兩級(jí)放大驅(qū)動(dòng)，末級(jí)采用10W功放管，通過對(duì)輸入、輸出匹配來達(dá)到輸出功率的要求。各部分原理框圖見圖3、圖4所示。

圖4　功放原理框圖

圖5　信號(hào)處理單元框圖

3.4基帶方案設(shè)計(jì)

基帶部分北斗一代采用型號(hào)為BM3005MQ的北斗收發(fā)芯片，北斗二代采用東莞泰斗生產(chǎn)的TD3020C模塊。北斗、GPS信號(hào)可單獨(dú)輸出，也可通過單片機(jī)組合輸出。

信號(hào)處理單元是用戶機(jī)收發(fā)信號(hào)的核心，擔(dān)負(fù)著本機(jī)的各種信號(hào)處理與數(shù)據(jù)處理任務(wù)。信號(hào)處理單元原理圖如圖5所示。

RX端接收射頻通道送出的12.24MHz中頻信號(hào)，送給A/D芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送給基帶芯片進(jìn)行信號(hào)處理。

基帶芯片進(jìn)行有源定位和通信，基帶芯片的串口0主要用來燒寫程序、設(shè)置芯片及通過計(jì)算機(jī)或PDA上軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶機(jī)的靈活控制，串口1主要把有源定位和通信信息發(fā)給單片機(jī)進(jìn)行處理。

單片機(jī)選用PIC24FJ64GB106，此款單片機(jī)具有四路串口，串口2接收北斗無源定位和授時(shí)信息，串口4接收有源定位和通信信息，串口6接收GPS信息，串口7接收計(jì)算機(jī)或PDA輸入的控制信息實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信息的靈活控制，另外，單片機(jī)輸出三路復(fù)位信號(hào)，對(duì)兩片北斗基帶芯片和GPS芯片進(jìn)行控制，防止死機(jī)。

各路串口輸出RS-232電平，滿足直接和計(jì)算機(jī)或PDA串口連接。

3.5結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

該模塊采用一體化雙面布局的設(shè)計(jì)思路，腔體正面為射頻部分，按區(qū)域劃分為：低噪聲放大器、收發(fā)通道、功率放大器，腔體反面為基帶部分，布局北斗一號(hào)基帶信號(hào)處理板。射頻部分與基帶部分之間采用硬連接，中頻信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、發(fā)射數(shù)據(jù)采用MMCX連接器硬連接，電源供電采用排針插座硬

連接；基帶輸出采用Q型連接器或航空插座輸出，鑒于不同的客戶需求，數(shù)據(jù)出口為側(cè)面和底面輸出做了預(yù)留設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示：