北斗导航通信一线通射频组件设计

赵泽平，陈志春，李健均，林启华

（广州润芯信息技术有限公司，广东 广州 510663）

0 引 言

在北斗系统应用中，一线通射频组件和北斗接收机通过单根射频电缆进行连接。接收机通过射频电缆向一线通射频组件提供馈电和北斗一代的发射信号，一线通射频组件则将接收到的卫星导航信号放大后再通过射频电缆传输给接收机[1]。

传统的一线通组件中，5 V馈电往往对应的是5 W的发射功率，12 V以上馈电对应的是10 W的发射功率，这主要是因为10 W功率放大器一般要求供电在12 V以上，且10 W功率放大器对能量的输送要求高。本文在传统一线通组件的基础上，实现了一种改进的低压高功率一线通射频组件设计方案。通过超级电容储能以及DC-DC升压芯片，在5 V馈电下驱动了10 W的发射功率，且实现了1s/次的北斗一代极限发射频度。

1 一线通射频组件设计方案

1.1 系统构成

一线通射频组件覆盖的频点有北斗一代收发S/L、北斗二代B3以及民用导航信号B1/L1。其中B1是中国北斗的民用导航频点，L1指的就是传统的GPS信号[2]。一线通组件通常使用一根射频电缆即可完成所有信号的传输，安装方便，在一些导航接收机安置在室内或天线与接收机距离较远的场景下有着广泛的应用[3]。系统架构如图1所示。

图1 系统架构

其中的一线通射频组件则由两大部分构成，即射频部分和电源部分。射频部分主要包含有B3、B1/L1、S频点的低噪声放大器、L频点的10 W功率放大器以及发射检波电路、合路器等。电源部分则主要包含电源保护、超级电容及其充电电路、DC-DC降压和升压电路等。

1.2 低噪放设计

低噪声放大器负责把接收到的卫星导航信号进行放大，其噪声系数和增益直接关系到接收机接收信号的强度[4]。一线通射频组件包含3个频段的低噪声放大器，分别是B3（1 268.52 MHz±10.24 MHz）、L1/B1（B1：1 561.098 MHz±4.02 MHz，L1：1 575.42 MHz±4.02 MHz）和 S（2 491.75 MHz±4.16 MHz）低噪声放大器。低噪声放大器架构如图2所示。

图2 低噪声放大器架构

所有低噪声放大器都采用了相似的级联架构，区别在于B1/L1频段的放大器在第一级介质滤波器后面添加了一个PIN管限幅电路[5]。S频段放大器采用了3级放大器级联，比其他两个频段的放大器多了1级。这是因为B1/L1频段靠近发射L频段，在L发射时由于频率太靠近，介质滤波器无法滤除L发射的大功率信号，因此需要使用限幅电路保护第一级放大器。而S频段放大器比其他频段多一级放大，原因是高频段放大器的增益会下降，使用3级放大才能满足整体增益45 dB的要求。

1.3 功率放大器和检波电路设计

一线通射频组件的10 W功率放大器供电电压为12 V，由4.8 V电源升压提供[6]。当射频电缆输入端口检测到有L频段信号时，射频组件内部检波器会输出一个1.8 V左右的直流电压信号，从而开启功率放大器的相关电源，完成信号发射。开启功率放大器的同时，L1/B1低噪声放大器的电源也会被关闭，这主要是为了防止L发射的信号通过天线耦合到L1/B1低噪声放大器被放大，然后经过合路器再耦合到L通道，形成一个闭环的自激回路。

1.4 合路器设计

合路器主要由两个器件构成，即BMD003和GP2S1+。BMD003是个三路功分合路器，内置相应通道的滤波器。三路低噪声放大器的输出经过BMD003合成一路信号，然后再与L发射信号经过二合一功分器GP2S1+进行合成。需要注意的是，两者的信号方向刚好相反。如图3所示,低噪声放大器的合成信号的传输路径是从GP2S1+的9端口到2端口，L发射信号是从GP2S1+的2端口到7端口，直流馈电和射频信号则通过MCX-KHD端口处的1 000 pF电容和27 nH馈电电感进行分离。

图3 合路器原理

1.5 基于超级电容的储能电源设计

根据指标要求，接收机对一线通射频组件供电指标为电压5 V、电流3.5 A。按北斗一代通信协议要求，脉冲发射时间≤300 ms。按照10 W功率放大器效率为43%计算，发射一次所需要的能量为10×0.3÷43%≈6.98 J。由于需要采用DC-DC电压转换，DC-DC转换效率为85%，计算可得到需要提供的能量JPA=8.21 J，而接收机0.3 s内能提供的能量只有5×3.5×0.3=5.25 J，功率放大器耗费的能量已经超过接收机一线通端口的供电量。如果采用储能电路，把功率放大器非工作期间的能量也存储起来，则相当于接收机在1 s内都可以为功率放大器提供能量[7]。1 s内接收机能够供给的能量为5×3.5×1=17.5 J，远大于功率放大器所要消耗的8.21 J，因此该方案理论上可实现。在实际应用中，则还需要考虑充电IC的转换效率和射频线缆直流电阻造成的能量损耗。

蓄电方案采用超级电容+充电电路实现[8]。受升压DC-DC和升降压DC-DC的最低输入电压以及超级电容输出的最高电流限制，不希望发射瞬间消耗掉电容存储的所有能量，而是把电容的输出电压维持在4.6 V以上。根据电容的放电公式，可以求得所需要的超级电容容量：

式中，Umax为充电IC设置的停止充电的电压；Umin为将能量供给功率放大器之后超级电容两端量测的电压。将JPA=8.21 J、Umax=4.8 V、Umin=4.6 V代入式（1），可以得到C=8.73 F，取最接近的标准电容值10 F。如图4所示，4个容值相同的超级电容两两先并后串，最终的总容值与单个超级电容相同。而之所以要把电容串联，是因为一般单个超级电容的工作电压只有2.7 V，电容串联可以把工作电压提高到5.4 V[9]。

图4 储能电路设计原理

电源部分的总体架构如图5所示[10]。

图5 电源板设计原理框图

整个电源通路，在经过防反接和过压保护之后主要分为两个支路。一路是超级电容组成的储能电路，其电流为Ia；另外一路是3个低噪声放大电路和PA第一级推动的供电电路，其电流为Ib。已知低噪声放大电路电源DC-DC转换的效率为90%，则这一路损耗的能量JLNA=(0.25+0.02)×3.3÷90%=1.11 J，由此可知Ib远小于Ia。在计算射频电缆的直流压降时，可以认为Iall≈Ia。已知射频电缆的直流电阻为0.2 Ω，则充电时射频电缆与一线通射频组件接口处的电压为Uin=5-IaR。

充电IC的能量转换效率η=75%，充电时间t=1 s。射频电缆在这1 s内传输的能量必须满足开启一次功率放大器所需要的能量。由此可得：

将各个值代入公式，可得Ia=2.43 A。因为设计需要留有一定余量，所以把充电电流设定为3 A。，射频电缆上的总电流Iall=Ia+Ib=3.241 A≤3.5 A，符合要求。

2 组件结构外形

按照上述设计方案，设计制造的一线通射频组件如图6所示。图6（a）为射频组件的顶面，可以看到与射频部分连接的电源板以及电源板上用于储能的4个超级电容。图6（b）为射频组件与天线接口的一面，定制天线接口与图中展示的天线接口相匹配，采用的是对插连接方式。

图6 一线通射频组件实物

3 结 论

本文设计了一种储能型的一线通射频组件，解决了传统一线通组件10 W高功率必须配备12 V以上直流馈电的问题，在5 V/3.5 A的供电能力下实现了支持10 W功率放大器的秒发射。由于5 V/3.5 A也是现有大多数北斗接收机所配备的一线通端口的电源指标，因此该一线通射频组件有着极其广泛的适配性。在导航信号体制上，包含了北斗一代S、北斗二代B3、北斗二代B1以及GPS L1，而且可以向上对北斗三代进行兼容。测试表明，该组件满足设计指标要求。