用于北斗有源天线的自适应发射机电路的设计与实现

颜 勋，苏凯雄，陈平平

(福州大学 物理与信息工程学院，福州 350100)

0 引 言

北斗卫星系统是中国自行研制的全球卫星定位系统。它不仅具有无源定位功能，还将有源定位与通信功能结合，提供了独具特色的短报文通信服务[1]。短报文通信服务是用户接收机与卫星之间双向通信的一个过程，其难点在于用户机发射信号在到达卫星时需要保证足够的信噪比[2]，从而要求用户终端天线的辐射功率足够大。

北斗终端设备使用的天线系统方案可分为无源天线与有源天线2种类型[3]。无源天线方案的辐射功率值可能随连接线缆的改变而有较大变化，存在可靠性、一致性、易用性差等问题[4]。为避免这些问题的出现，无源天线方案通常要求天线与射频模块之间的距离尽量短，这使得用户设备的安装条件受限严重。有源天线方案将固定增益的功率放大器安装于天线之上，可以避免连接电缆带来的问题，但要求输入信号功率恒定不变。若输入信号过强，则可能造成放大器饱和失真，从而影响带外抑制等性能指标，严重时可能造成通信失败；若输入信号强度过低，则又可能造成辐射功率不足，容易出现通信失败的情况[5]。

针对这一问题，本文设计一种可应用于北斗有源天线的自适应发射电路方案，以实现自动适应0～30 m内由不同长度、材质的线缆造成的0～35 dB的信号衰减[6]，使天线辐射功率保持不变，从而减小天线与接收机之间的安装距离的限制，提高用户终端设备使用的可靠性与易用性。

通常而言，北斗射频模块中调制器输出的信号强度为0 dBm[7]。在有源天线系统中，由于调制器与有源天线之间存在一定的距离，使得信号传递到有源天线输入端存在不同程度的信号强度衰减，且波动范围比较大[8-9]。因此，为避免有源天线端功率放大器出现饱和失真的同时保证其EIRP(effective isotropic radiated power)等指标，在有源天线中需要对不同强度的信号进行自适应调整，从而达到保持有源天线辐射功率不变的目的。

本文设计的有源天线自适应发射机电路主要由3部分组成：自动增益控制(automatic gain control，AGC)模块、功率放大器(PA)模块和无源天线。其中，AGC模块与PA模组是本文重点所在。

1 自动增益控制电路设计

1.1 AGC电路的组成

针对这些特点，自动增益控制电路由功分器(Diplexer)、压控放大器(VCA)、低噪声放大器(LNA)、控制电路(Controller)、检波电路(Detector)以及低通滤波器(LPF)组成，AGC模块结构如图1。

图1中上半部分为射频放大链路，它由前置低LNA与VCA组成；下半部分为检波控制链路，由Detector、LPF与Controller组成。从图1中可以看出，经过线缆传输过来的调制信号由Diplexer等额传递到射频放大链路和检波控制链路中。在检波链路中，信号强度被检波电路所检测，形成的模拟电压随输入信号功率增大而增大。模拟电压信号通过低通滤波器来滤除其中高频杂波，经过变换电路转换为VCA所需的控制信号。在放大链路中，经Diplexer传来的射频信号经过LNA放大后送入VCA，放大到一个合适且稳定的值作为输出，用于驱动后续的功率放大器。

图1 AGC模块结构示意图

对上述电路结构建立相应的数学模型的过程如下：设输入、输出信号分别为X(ω)，Y(ω)。首先，将LNA与VCA合成可变增益组件，设控制电压为V(ω)，故模型传输函数为H(ω,V(ω))，是增益受信号频率及控制电压影响的可变增益模块；其次，将检波电路与LPF合成检波组件，设其系统传输函数为F(ω)，进行信号功率强度到电压信号的转换；最后，设控制电路的系统函数为G(ω)，将检波模块产生的电压信号转换成可变增益模块所需的控制电压。所获得的数学模型框图如图2。

图2 自动增益控制设备数学模型

输入信号X(ω)通过功分器以等额方式分别传输到射频链路以及检波电路。因而射频放大链路有

(1)

同时，检波控制环路有

(2)

电路工作在北斗上行频点1 615.68 MHz上，设计目标为Y(ω)为固定值，故公式中可将Y(ω)视作常数带入计算。而可变增益组件传输函数H(ω,V(ω))以及检波组件传输函数F(ω)可由实测数据拟合得到。所以，从(1)—(2)式中可以得到G(ω)与X(ω)的关系。又因为输入信号X(ω)的值域、定义域属于设计范围，是由设计目标所确定的，由此可以计算得到系统传输函数G(ω)。由此，AGC模块各组件电路传输函数可以确认，接下来可以进行电路设计。

1.2 自动增益控制电路的仿真

VCA是AGC模块的核心组件，本设计采用VCA的P1 dB为23.2 dBm，OIP3为40.5 dBm，增益可控范围为-26～9.8 dB(约35.8 dB)。配合25 dB增益的前置LNA补偿功率损耗可实现本设计0～35 dB动态增益范围的需求。

VCA电压控制增益曲线为对数曲线。由于检波器在小信号下是线性的，故反馈电压需进行对数变换。但由于对数放大器成本高、不易调整，所以本文提出将电压控制增益曲线取分段线性，从而可用普通的运放来对反馈信号进行处理，再配合低成本阻容网络，实现VCA的控制电路[10]。

经过实际测量，可以得到在1 615.68 MHz频点下VCA电压控制增益曲线。并以此作为理论计算依据进行电路设计。采用2线段拟合方法设计的结果如图3，其中横纵轴分别表示控制电压和VCA实际增益。

图3 电压控制增益实测与拟合曲线

可以发现，拟合曲线与实测曲线基本一致，只在曲线末端和两拟合线段的衔接处存在一定的误差。这表明使用两线段对控制电压曲线进行近似是可行的。

1.3 AGC电路的实现

由上所述，VCA所需控制电压V(ω)分段线性，其斜率k1>k2>0，所以，G(ω)必须为分段线性才能使等式成立，其斜率k3

图4 控制电路

通过实际测量，可得到可变增益组件传输函数H(ω,V(ω))和检波组件传输函数F(ω)，并计算出G(ω)，其特性如图5虚线所示(横纵轴分别表示信号强度的模拟电压和VCA控制电压)。同时，利用Multisim仿真软件对控制电路进行仿真，其结果如图5实线所示。

图5 控制电路传输函数图(计算值与仿真值)

从仿真结果上看，AGC控制特性曲线分为3段。第1段表示在输入信号弱或低于设计自适应范围时，检波组件输出低电压(低于控制电路下限)，使得VCA控制电压增加，并到达最大值5 V(供电电压)，表现为自适应电路工作在最大增益模式；第2，3线段与上文所设计电路的控制特性基本相符，AGC系统处于正常增益控制范围。由此可见，仿真结果与电路的实测传输函数G(ω)基本相吻合。

2 PA电路与输出滤波器的设计

功率放大器是每个上行链路的关键模块，它能将调制信号功率放大到足够大的电平，使其能够通过遥远的空间辐射传送到卫星，因此，射频功放应具备足够大的功率增益和输出功率。同时，考虑到卫星导航通信系统中，卫星播发信号在到达地面时已经十分微弱，可低于-127 dBm，此时若接收机接收链路带内受到干扰，可能带来信号失锁、信息丢失等问题，因此，需要在功率放大器输出端设置具有很强带外抑制能力的滤波器，以尽可能将射频输出功率信号的带外干扰压制到最小程度。

2.1 PA电路的设计与仿真

PA模块由放大器、输入/输出匹配电路，直流偏置与输出微带陷波器组成，其中放大器由三级LDMOS和级间匹配器件组成。电路结构如图6。

图6 PA模块组成结构示意图

由于放大器工作在窄带条件下，级间匹配使用π形匹配网络；使用load-pull方法优化三级功率放大器在大信号环境下的匹配参数[11]，并对其进行HB1tone_LoadPull仿真，具体电路仿真结果如图7。

图7 功率放大器仿真结果图

从图7中看出，三级放大器在进行load-pull方法优化后的总增益为40 dB，工作效率PAE(power-added efficiency)为40.24%，达到了系统设计需求。

2.2 微带滤波器的仿真

如前文所述，为保证有源天线接收链路不受发射信号的干扰，必需在PA模组后端加入微带陷波器，对频点2.492 GHz进行陷波，以减小功率放大器对卫星接收机的干扰。本文设计了一款4支节微带陷波器，通过利用ADS仿真工具进行优化设计，其结构图以及仿真结果如图8、图9。

图8 微带滤波器结构图

从仿真结果上看，微带陷波器在北斗上行频点(1 615.68 MHz)上衰减仅为0.2 dB，而对信号下行频点(2 491.75 MHz)抑制有77 dB，充分抑制了在某些极限情况下，由于射频信号耦合，可能造成的对接收机接收链路的灵敏度影响。

3 系统的测试与验证

3.1 AGC模块测试

为得到较为准确的AGC模组性能指标的实验数据，本测试利用信号发生仪产生不同强度的调制信号(-26～10 dBm)输入到有源天线输入端，来模拟实际情况下经过不同射频线缆的损耗传输到有源天线的输入信号。再通过频谱仪测试不同强度的信号输入时对应的AGC模块输出功率。

测试使用仪器为安捷伦N5172B型矢量信号发生仪和安捷伦N9000A频谱分析仪，实验数据在室温环境下测得。实验测试实物图以及结果如图10、图11。图10中金属腔体为测试模块，下板为测试用的电源板，负责为测试模块供电以及RS232通信接口转换使用。图11中横轴为信号源模拟输入信号大小，步进为2 dBm；纵轴为AGC模组实际输出功率值大小，每个数据都由3次测量取平均值得到。

图10 测试实物图

由图11中不难看出，本设计在-26～10 dBm(36 dBm)输入信号动态范围内，都可以实现自动调整AGC模组增益大小，从而保证输出功率始终稳定在设计值0 dBm附近，波动仅±1 dB，符合设计要求。

图11 输入功率与输出功率波动图

3.2 PA模组测试

使信号源输出0 dBm强度的调制信号，校准链接线缆损耗以后，输入到PA模组输入端，再通过频谱仪测试PA模块输出信号频谱，测试结果如图12。

图12 发射信号测试结果

由图12中可见，PA模组输出功率为39.746 dBm，且输出信号频谱形状正常，未出现PA饱和现象。±10 MHz带外抑制大于20 dBc，±20 MHz带外抑制大于35 dBc。满足北斗系统指标要求。

3.3 同类设计指标对比

当前，由于北斗行业还属于起步阶段，大多数性能产品还处于研发阶段，市场同类产品较少。因此，本文只选取市面上一种典型产品S1作为样品进行比较分析，对比结果如表1。

表1 同类设计指标对比

对比结果显示本设计主要有ERIP高、增益可变、功放PAE效率高以及驻波指标好的优点，但同时也存在带内平坦度不足的缺陷。

4 结束语

本文设计了一种可应用于北斗有源天线的自适应发射电路系统。通过在传统有源天线发射链路的前端增加一级AGC模组，以此来实现有源天线在0～30 m内对不同射频线缆材质、长度造成损耗的自动适应，从而保证了发射机稳定输出10 dBW的射频输出功率。同时，通过在PA模组输出端口增加微带陷波器，有效保护了有源天线射频接收前端的灵敏度不受影响。