一种五天线双频点GPS接收机射频前端设计

2014-03-16郑建生

电子技术应用 2014年5期

吴越，郑建生，刘郑

(武汉大学电子信息学院，湖北武汉430079)

随着GPS卫星导航定位技术的发展，对GPS接收机的性能提出了进一步的要求，从传统的单频接收机到双频接收机，再到多天线双频接收机，使接收机能同时处理多路GPS信号。多天线双频GPS接收机射频前端的研究[1]可以提高国内GPS接收机的水平，同时也能为我国自己的北斗导航定位技术提供借鉴，为今后高性能导航接收机的开发打下良好的基础。

1 系统总体方案

系统总体结构简图如图1所示，5路天线输入对应天线 1、天线 2、天线 3、天线 4、天线 5，其中天线 1和天线5的信号处理电路完全相同：包括依次连接的低噪声放大器 LNA(Low Noise Amplifier)、二功分器、后续信号调理电路，并且具有两条链路最终同时输出GPS L1和 GPS L2中频信号；天线 2、天线 3和天线 4的信号处理电路完全相同：包括依次连接的低噪声放大器LNA和后续信号调理电路，只有一条链路并最终输出GPS L2中频信号。后续信号调理电路包括依次连接的射频放大单元、下混频器、中频IF(Intermediate Frequency)滤波器、IF放大器、可变增益放大器VGA(Variable Gain Amplifier)，射频放大单元包括两级射频RF（Radio Frequency）滤波器以及位于两级RF滤波器之间的RF放大器。天线输入的信号经过低噪声放大器放大后，通过RF滤波器选择GPS L1频点1 575.42 MHz或GPS L2频点1 227.6 MHz并滤除带外噪声及干扰，提高镜频抑制；滤波之后的信号经过适当放大后进入混频器与本振信号进行混频，输出46.035 MHz的中频信号；中频信号经过IF滤波和IF放大后进入VGA单元，通过控制电平决定VGA这一级的增益，以实现系统最终输出功率可调。

如图1所示，各条链路都需要为混频器提供本振信号，输出GPS L1中频信号的链路对应的本振信号为本振 a：1 529.385 MHz，本振 a与 GPS L1频点1 575.42 MHz混频得到46.035 MHz中频输出；输出GPS L2中频信号的信号链路对应的本振信号为本振b：1 181.565 MHz，本振b与GPS L2频点1 227.6 MHz混频得到 46.035 MHz中频输出。最后一级VGA的增益控制电平由MCU配合多通道DA产生，每一路电压由5位拨码开关控制，因而可以实现32级可调。

图1 系统总体结构图

2 系统实现设计

2.1 低噪声放大器LNA

在无线通信领域，为了提高接收信号的灵敏度，一般在接收机的最前端采用低噪声放大器，最前端放大器的噪声系数和增益对整个接收机的噪声系数起决定作用[2]。其次低噪声放大器的输入信号来自天线。为了实现最大功率传输，低噪放的输入端与天线之间要求阻抗匹配。此外，还要考虑功率增益、功耗。本系统天线接收的是一个宽带信号(1 575.42-1 227.6=347.82 MHz)，这就决定了系统必须采用工作频段包含1.2 GHz～1.6 GHz的宽带低噪放大器，综合考虑最后选择美国万通公司的GPS双频专用低噪声放大器WHM14-3020AE，其工作频率为1.2 GHz～1.6 GHz，固定增益为32 dB，噪声系数为0.5 dB，输入/输出VSWR：1.22：1，输出 1 dB压缩点为 10 dBm。它的各项指标都达到了非常完美的程度，而且芯片内部已经做好了阻抗匹配，所以信号输入/输出端口不需要做任何匹配，为电路的调试带来了极大的方便。

2.2 二功分器

功分器有插入损耗、隔离度、工作频带、相位不平衡度、功率不平衡度、电压驻波等各种指标，本系统信号的频率范围为1.2 GHz～1.6 GHz，所以在选择功分器时首先要满足这个频带范围的要求，其次插入损耗和VSWR越小越好，隔离度越大越好。本设计选取Mini-Circuits公司的BP2G1+无源功分器，其衰减小，频带宽，平坦度好，插入损耗小，隔离度高，能很好地满足本系统的要求。

2.3 RF滤波器

射频频滤波器也称为预选器，主要用来预选频段并抑制镜像干扰、带外干扰和各种噪声。在选择射频滤波器时，主要考虑通带带宽、带内平坦度、带外衰减以及插入损耗[3]。根据上述要求，本设计选择声表面滤波器。声表面波滤波器具有体积小、重量轻、性能可靠、不需要复杂调整等特点，而且带内不平坦度仅为±0.3～±0.5 dB，群时延±30～±50 ns，矩形系数好，带外抑制可达 40 dB以上。针对L1、L2频点的射频滤波器分别选用TA0549、TA0490A，表1为两滤波器性能指标。

表1 射频滤波器的性能

2.4 RF放大器

由于天线输入的信号很微弱，前级LNA的30 dB增益还不够大，而且RF滤波器在滤波的同时会带来信号的损耗，因而在两级RF滤波器之间加入一级RF放大器对信号进行进一步放大。本设计选用固定增益34 dB的射频放大器BGA430，BGA430带内平坦，增益大，内部已做好匹配，使用简单。

2.5 混频器

本设计选用MAX2682作为系统的混频器。MAX2682典型应用电路如图2所示[4]。

图2 MAX2682典型应用电路

图 2是 MAX2682的典型应用电路，其中 Z1、Z2、Z3是 RF输入端口的阻抗匹配网络，L1、R1、C2是 IF输出端口的阻抗匹配网络，C1为本振端口的隔直电容，C3、C4、C5为电源滤波电容。根据MAX2682的芯片资料可以查出，当输入射频信号为1 575.42 MHz时输入匹配网路为：Z1=0、Z2=270 pF、Z3=2.2 nH；当输入射频信号为1 227.6 MHz时输入匹配网络为：Z1=1.5 pF、Z2=270 pF、Z3=10 nH；当输出中频信号为46.035 MHz时输出匹配网络为：L1=390 nH、R1=250 Ω、C2=39 pF。本设计中所需的本振信号由定制的本振单元提供。

2.6 IF滤波器

IF滤波器是一个中心频率为某一固定值的带通滤波器，它是一个频率选择部件，可以通过某些频率的信号来抑制或衰减另外一些频率的信号。本设计采用订制的IF滤波器CF46-13，其中心频率为46.035 MHz，3 dB带宽为13 MHz，中心频率±8 MHz处带外抑制达到 45 dB，带内平坦度优于±0.3 dB，插入损耗为22.5 dB。考虑到减小插入损耗值和提高带内平坦度，滤波器需要外接匹配网络，具体电路如图3所示。

图3 中频滤波器应用电路

2.7 IF放大器

考虑到中频滤波器有22.5 dB的插损，为了弥补这个损耗，本系统需要在中频滤波器后面加入一级中频放大器。中频放大器的主要性能指标与低噪放大器类似，本设计选用HMC478ST89芯片作为中频放大器[5]。HMC478ST89管脚较少，电路连接非常简单，不需要输入输出阻抗匹配，在46 MHz附近增益为22 dB且增益很平坦。在设计HMC478ST89的外围电路时，主要考虑馈电电路。这款放大器是+5 V～+8 V宽范围电压供电，不同的供电电压需要不同的偏置电阻。本设计采用了+5 V的供电电压，因此偏置电阻为18 Ω。馈电时采用高频电感馈电方式，即在电源与芯片的电源引脚间接入一绕线电感。本设计中馈电电感采用270 nH，具体电路如图4所示。

图4 HMC478ST89应用电路

2.8 VGA放大器

射频接收单元在接收信号时，由于干扰源的距离和来向等因素，其输入端信号电平在很大范围内变化。而输出功率是随外来信号的大小而变化的，所以输出端会出现强弱非常悬殊的信号功率。但是ADC采样都有一个比较合适的信号功率范围，超出这个范围ADC采样的效果就很差，所以必须在ADC采样之前加上一个增益可以控制的电路。本系统采用拨码开关控制单片机的DAC输出，使其在负载电阻上产生控制增益变化的电压来实现对VGA增益的控制。这里采用ADI公司推出的一款可变增益单端IF放大器AD8367，该芯片带有可控制线性增益的高性能45 dB可变增益放大器，并可以在低至500 MHz的频率范围内稳定工作[6]。

2.9 本振单元和MCU单元

本设计中混频器AD8367所需要的本振a和本振b由本振单元提供。由于系统对本振信号的频率和功率有较高要求，因而采用定制的本振发生单元。该单元产生功率恒定的两路本振信号：1 529.385 MHz和 1 181.565 MHz，即图1中的本振a和本振b，然后两路本振信号经过功分器产生多路本振信号提供给7路混频器。由于VGA模块需要增益控制电平，因而采用单片机和多通道DA配合产生多路控制电平去控制各路增益，本设计选用Silicon公司的C8051F066单片机配合8通道DA芯片DA8568产生图1中所需的7路控制电平。