吳　為，賴生建，鄧建華，白志剛，陶　煒，吳凌華

（1.電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，四川成都610054；2.中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川成都610021；3.空軍駐川西地區(qū)軍代室，四川成都610041；4.中國(guó)人民解放軍駐209所軍代室，四川成都610041；5.海軍駐航天科技集團(tuán)公司第七研究院軍事代表工作組，四川成都610041）

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一種小型化北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)收發(fā)模塊的研制

吳為1，賴生建1，鄧建華2，白志剛3，陶煒4，吳凌華5

（1.電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，四川成都610054；2.中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川成都610021；3.空軍駐川西地區(qū)軍代室，四川成都610041；4.中國(guó)人民解放軍駐209所軍代室，四川成都610041；
5.海軍駐航天科技集團(tuán)公司第七研究院軍事代表工作組，四川成都610041）

摘要：該文主要研制一種基于北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)B3授權(quán)頻段的小型化射頻前端收發(fā)模塊。該模塊采用多層板技術(shù)（printed circuit board，PCB），兩路接收通道和一路發(fā)射通道，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)小型化的收發(fā)模塊，模塊實(shí)際尺寸僅為50mm×15mm×7.5mm。該收發(fā)模塊在46.52MHz頻率和100kHz頻偏下，測(cè)試的相位噪聲結(jié)果為105dBc/Hz，收發(fā)性能符合指標(biāo)要求。該射頻前端收發(fā)模塊已應(yīng)用于某測(cè)控系統(tǒng)中，并且此模塊也可以廣泛應(yīng)用于車載、移動(dòng)定位等衛(wèi)星導(dǎo)航通信與測(cè)試中。

關(guān)鍵詞：北斗二代；收發(fā)模塊；相位噪聲；小型化

0　引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在現(xiàn)代通信領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越廣泛的作用。比如，美國(guó)的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋全球并且有許多相對(duì)應(yīng)的研究成果。我國(guó)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋亞太地區(qū)，但是還處于發(fā)展階段，系統(tǒng)的性能、接收機(jī)技術(shù)、信號(hào)調(diào)制還有很大的提升空間，在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中也面臨激烈的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)[1]。衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)的通信收發(fā)機(jī)要求小型化、抗干擾能力強(qiáng)，已是當(dāng)前通信系統(tǒng)發(fā)展的必然要求。國(guó)內(nèi)對(duì)于北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的射頻前端收發(fā)模塊小型化、低噪聲的研究已經(jīng)取得了一定的成果。但是隨著整個(gè)北斗系統(tǒng)的建設(shè)，目前正在向北斗二代系統(tǒng)發(fā)展。

本文針對(duì)我國(guó)北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航的定位測(cè)控系統(tǒng)，研制一款在B3授權(quán)服務(wù)頻段的小型化射頻前端收發(fā)模塊，該模塊包含了兩路接收通道和一路發(fā)射通道。

1　方案設(shè)計(jì)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，通信模塊由天線、收發(fā)模塊和基帶處理模塊構(gòu)成，天線用于發(fā)射信號(hào)或者接收衛(wèi)星信號(hào)；收發(fā)模塊用于上下變頻以適用天線發(fā)射和基帶處理；基帶處理模塊用于信號(hào)處理。收發(fā)模塊是天線與基帶處理模塊的橋梁，對(duì)通信系統(tǒng)起著重要的作用。設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)不同的用途和指標(biāo)做出相應(yīng)的方案選擇。本設(shè)計(jì)主要針對(duì)北斗二代的移動(dòng)衛(wèi)星通信與定位，從指標(biāo)、尺寸、成本等多方面考慮，最終采用6層印制板（printed circuit board，PCB）技術(shù)。整個(gè)鏈路設(shè)計(jì)充分利用多層板PCB的各層空間走線，并且兼顧了信號(hào)完整性，采用一次下變頻技術(shù)。使得整個(gè)模塊設(shè)計(jì)更為方便的嵌入整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)。整個(gè)模塊電路布局如圖1所示。

兩路接收通道主要位于PCB板的頂層，對(duì)稱布局。每一路接收通道通過(guò)低噪聲放大器把接收信號(hào)放大，再通過(guò)混頻器下變頻，最后通過(guò)帶通濾波器和自動(dòng)發(fā)電控制（automatic generation control，AGC）輸出中頻信號(hào)給基帶模塊。由于收發(fā)模塊尺寸比較小，在高增益的AGC附近容易產(chǎn)生耦合信號(hào)，形成環(huán)路引起自激振蕩。因此，在AGC前一級(jí)加入了一級(jí)π型衰減，并且通過(guò)PCB通孔將信號(hào)穿入底層，再通過(guò)通孔連接頂層的濾波器。

一路發(fā)射通道直接將輸入的中頻信號(hào)與本振信號(hào)混頻，經(jīng)過(guò)濾波器和功率放大器輸出。由于整個(gè)系統(tǒng)的天線在發(fā)射端口集成了高增益放大器，因此該收發(fā)模塊的發(fā)射通道的末級(jí)放大器增益不用太高，還可以避免自激振蕩、也能減小模塊發(fā)熱量[2-3]。

2　電路設(shè)計(jì)

收發(fā)模塊要求小型化，在電路設(shè)計(jì)和布局布線上，需要充分考慮各通道信號(hào)相互之間的干擾、電源的低頻串?dāng)_、晶振信號(hào)泄露等引起的輸出信號(hào)雜波抑制。因此，在設(shè)計(jì)走線時(shí)，第1層和第3層主要走接收通道的信號(hào)線；第2層和第4層接地；第6層主要走鎖相環(huán)電路和發(fā)射通道的信號(hào)線；第5層主要為地線，同時(shí)有少量的電源走線。PCB布局結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　收發(fā)模塊整體布局結(jié)構(gòu)

圖2　PCB走線布局結(jié)構(gòu)

整個(gè)電路板采用雙面表貼器件，通道、鎖相環(huán)電路均由隔離線和屏蔽罩隔開。采用這樣的布局方式，不僅可以充分利用空間布線的資源，而且對(duì)收發(fā)通道模塊、鎖相環(huán)電路模塊以及電源相互之間都有良好地隔離，大大減小了干擾，同時(shí)也利用了屏蔽罩散熱[4]。

2.1鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)

鎖相環(huán)電路為整個(gè)收發(fā)模塊提供變頻的本振信號(hào)，設(shè)計(jì)中采用ADI公司的ADF4351數(shù)字鎖相環(huán)芯片，該芯片內(nèi)部集成了鑒相器和壓控振蕩器，可以實(shí)現(xiàn)小數(shù)分頻和整數(shù)分頻，通過(guò)內(nèi)部寄存器控制。因此，可以選擇不同頻率和性能的晶振，采用不同分頻方式，為減小鎖相環(huán)輸出本振信號(hào)相位噪聲提供多種可選擇的方案。

鎖相環(huán)輸出信號(hào)的噪聲由參考晶振、鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器共同決定。通常情況下鑒相器和壓控振蕩器與選擇的器件有關(guān)。因此，鎖相環(huán)輸出噪聲需要通過(guò)參考晶振和環(huán)路濾濾波器參數(shù)來(lái)改善。鎖相環(huán)帶內(nèi)噪聲為

L（fm）=PN（1 Hz）+10lgfPDF+20lgN

式中：PN（1 Hz）——鑒相器的噪聲基底；

fPDF——鑒相頻率；

N——分頻數(shù)。

環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)又與整個(gè)鎖相環(huán)的相位裕量、增益裕量和環(huán)路帶寬有關(guān)，直接影響整個(gè)環(huán)路的穩(wěn)定性、鎖定時(shí)間和近端噪聲[5-7]。通過(guò)ADIsimPLL軟件仿真設(shè)計(jì)，并且綜合考慮了實(shí)際工程中可以獲得的電阻和電容值，得到最后鎖相環(huán)輸出的相位噪聲仿真結(jié)果如圖3所示，可以看出，輸出的本振信號(hào)的相位噪聲為-94 dBc@100 Hz、-103 dBc@1 kHz、-105 dBc@10kHz、-114 dBc@100 kHz。從仿真結(jié)果來(lái)看指標(biāo)都比較理想。

2.2收發(fā)通道鏈路設(shè)計(jì)

整個(gè)收發(fā)鏈路，通過(guò)使用ADS2011（advanced design system）軟件進(jìn)行射頻系統(tǒng)仿真。

發(fā)射鏈路中，主要有仿真、分析鏈路的諧波和雜散。由于器件的非線性、小型化射頻信號(hào)輻射、鏈路級(jí)間不匹配等因素，發(fā)射鏈路信號(hào)都有可能存在不同程度的干擾。因此，發(fā)射鏈路設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意以下3點(diǎn)：1）加入合適性能和尺寸的濾波器；2）通過(guò)信號(hào)完整性分析，采用合理的布局布線；3）在混頻器處做好隔離措施[7-8]。

圖3　鎖相環(huán)噪聲仿真結(jié)果

圖4　接收通道相位噪聲仿真

接收鏈路中，對(duì)于46.52 MHz的中頻信號(hào)而言，采用一般的濾波器尺寸較大，不利于小型化。因此，選用針對(duì)北斗二代接收機(jī)設(shè)計(jì)的中頻聲表帶通濾波器以節(jié)省空間尺寸。該濾波器的帶外抑制度＞40dBc，在二次諧波處沒(méi)有寄生通帶等優(yōu)點(diǎn)，但是其插入損耗一般在20dB以上，綜合考慮整個(gè)鏈路的增益和噪聲等指標(biāo)后，在接收通道的第一級(jí)選用噪聲系數(shù)為0.6dB的兩級(jí)集成低噪聲放大器芯片。接收通道的相位噪聲通過(guò)在ADS中設(shè)置鏈路的本振信號(hào)的相位噪聲、以及所選器件的噪聲系數(shù)，從而進(jìn)行仿真。最終鏈路仿真結(jié)果為-93.15 dBc@100 Hz、-100.9dBc@1 kHz、-103.4 dBc@10 kHz、-113.1 dBc@100 kHz，如圖4所示。

3　實(shí)物與測(cè)試

整個(gè)收發(fā)模塊采用FR4材料的6層PCB板加工而成，實(shí)物圖如圖5所示。

圖5　收發(fā)模塊實(shí)物圖

相對(duì)低溫共燒陶瓷（low temperature co-fired ceramic，LTCC）材料設(shè)計(jì)方式，該模塊不僅加工周期短，設(shè)計(jì)成本也大大降低，同樣能夠滿足小型化的指標(biāo)需求[8]。

實(shí)物測(cè)試時(shí)，收發(fā)模塊通過(guò)信號(hào)源（安捷倫E4448A）輸出所需要的中頻信號(hào)或者射頻信號(hào)，電源對(duì)收發(fā)模塊進(jìn)行供電，頻譜儀（安捷倫E8257D）對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行測(cè)試分析。

發(fā)射通道的主要指標(biāo)有信號(hào)的雜散抑制（＜-50 dBc）、載波抑制（＜-45 dBc），輸出的射頻信號(hào)在頻譜分析儀上面測(cè)試的結(jié)果如表1所示。

表1　發(fā)射通道測(cè)試結(jié)果

從表中看出，在距中心頻率-53 MHz左右有最大的雜波，其抑制度為-47.74 dBc，該雜波由晶振的二次諧波和本振信號(hào)混頻產(chǎn)生，而近端的雜波抑制度均大于50dBc。測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

接收通道測(cè)試中，對(duì)接收信號(hào)測(cè)試的主要指標(biāo)有雜散抑制度（＜-60 dBc）、諧波抑制度（＜-50dBc），以及輸出中頻接收信號(hào)的相位噪聲（-80 dBc@100 Hz、-90dBc@1kHz、-95dBc@10kHz、-100dBc@100kHz），測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2　接收通道測(cè)試結(jié)果

從表2看出，由于器件之間的微小差異，導(dǎo)致其測(cè)試結(jié)果也存在著不同。兩個(gè)通道都在不同程度上出現(xiàn)了電源帶來(lái)的低頻串?dāng)_，但是抑制度均在-60dBc以下，也滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文研制一款小型化的北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在B3授權(quán)頻段應(yīng)用的射頻前端收發(fā)模塊，整個(gè)模塊的尺寸相對(duì)于以往同類模塊的65mm×55mm×16mm[9]，縮小到50mm×10mm×7.5mm。該模塊嵌入整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)中，在有干擾的情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)定位測(cè)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。該北斗收發(fā)模塊具有尺寸小、成本低，相位噪聲好等特點(diǎn)，在衛(wèi)星定位系統(tǒng)以及相應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)中具有廣泛地應(yīng)用價(jià)值。

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（編輯：李妮）

A miniaturized transceiver module designed based on COMPASS II satellite navigation system

WU Wei1，LAI Shengjian1，DENG Jianhua2，BAI Zhigang3，TAO Wei4，WU Linghua5
（1. School of Physical Electronics，University of Electronic Science and Technology of China，Chenghdu 610054，China；2. National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China；3. Air Force Military Representative Office in the West of Sichuan Province，Chengdu 610041，China；4. Military Representative Office at the 209th Institute，Chengdu 610041，China；5. The Military Representatives Office of Navy in No.7 Academy of China Aerospace Science and Technology Corporation，Chengdu 610041，China）

Abstract:A miniaturized transceiver module for Compass II satellite navigation system was designed on B3 band. This module，developed by the Printed Circuit Board（PCB）technology，comprises two transceiver module receiving channels and one transmitter rational distribution channel and was optimized into the dimension of 50 mm×15 mm×7.5 mm. According to the experiment，the phase noise of the module is 105 dBc/Hz at 46.52 MHz-frequency and 100 kHzfrequency offset. The module has been applied in a measurement and control system，so it can be widely used in the communication and testing of on -board and mobile navigation and positioning systems.

Keywords:COMPASS II satellite；transceiver module；phase noise；miniaturization

作者簡(jiǎn)介：吳為（1990-），男，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)槲⒉ㄉ漕l電路與系統(tǒng)。

基金項(xiàng)目：2013年度中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（A03010023801055）

收稿日期：2015-03-17；收到修改稿日期：2015-05-13

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.016

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2016）02-0071-04