（电磁场与微波技术专业论文）北斗导航卫星系统射频前端的研制.pdf

摘要 北斗导航卫星系统射频前端的研制 硕十生：严蒴旗 导师：洪伟教授 摘要 北斗导航系统是我国独立研制开发的第一代区域性有源双向卫星导航定位 通信系统，可以对我国领土、领海及周边地区的用户进行定位及定时授时，并且 可以实现各用户之间、用户与中心控制站之间的简短报文通信。本文研究内容为 北斗导航系统授时终端的射频前端，该射频前端包括有源天线模块和射频接收模 块两部分。 文中首先针对系统指标要求，讨论了天线与接收机的实现方案，分析了噪声 系数、灵敏度等关键指标。然后针对有源天线模块，在天线分析与商用软件i e 3 d 仿真的基础上设计了单馈点圆极化微带天线，同时研制了增益大于3 0 d b 、噪声 系数小于l d b 的前置低噪声放大器。针对射频接收模块的指标要求，进行方案论 证、元器件选型、采用a d s 软件进行了电路仿真，并根据系统性能要求进行电路 实现和实验测试。论文的最后对完整的射频前端进行了整机测试，测试结果达到 预定的技术指标。 关键词：卫星导航、圆极化微带大线、低噪声放人器、频率合成器、l c 带通滤波器 h b s t r f l c t i n v e s t i g a t i o n so nr f f r o n te n df o rb e i d o us a t e l l i t e n a v i g a t i o ns y s t e m m a s t e rc a n d i d a t e s u p e r v i s o r ： y a hp i n p i n p r o f h o n gw e t a b s t r a c t b e i d o us a t e l l i t e s n a v i g a t i o ns y s t e m i st h ef i r s t g e n e r a t i o np o s i t i o ns y s t e m d e v e l o p e db yc h i n a i tf e a t u r e sa c t i v es a t e l l i t ep o s i t i o no nr e g i o n sa r o u n dc h i n a , a s w e l la st i m i n ga n dc o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o n s t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ed e s i g no f r ff r o n te n df o rb e i d o us a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e m i tc o n s i s t so fa na c t i v ea n t e n n a m o d u l ea n da nr fr e c e i v e rm o d u l e a c c o r d i n gt ot h es y s t e ms p e c i f i c a t i o n s ，s c h e m e so fa c t i v ea n t e n n aa n dr fr e c e i v e r a r ef i r s t l yd i s c u s s e d ，a n ds o m ei m p o r t a n tr fs p e c i f i c a t i o n sa r ea n a l y z e d i nt h ed e s i g n o fa c t i v ea n t e n n am o d u l e ，as i n g l e f e dc i r c u l a rp o l a r i z a t i o nm i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n a i sd e s i g n e db a s e do nb o t ht h e o r e t i c a la n ds o f t w a r ea n a l y s i s a n dal o wn o i s ea m p l i f i e r i sd e s i g n e dt oo v e r c o m et h el o s so ft r a n s m i s s i o nc a b l eb e t w e e na n t e n n aa n dr f r e c e i v e rm o d u l e i nt h ed e s i g no fr fr e c e i v e rm o d u l e ，i n v e s t i g a t i o n sa r ep r e s e n t e d i n c l u d i n gs c h e m ed e m o n s t r a t i o n ，c i r c u i ts i m u l a t i o na n dr fb o a r dd e s i g n t h ew h o l er ff r o n te n df o rb e i d o us a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e mi st e s t e d t h et e s t r e s u l t sa g r e ew e l tw i t ht h es i m u l a t i o na n ds a t i s f yt h es y s t e mr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：s a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e m 、c i r c u l a rp o l a r i z a t i o nm i c r o s t r i pa n t e n n a 、l o wn o i s e a m p l i f i e r 、s y n t h e s i z e r 、l cb a n d p a s sf i l t e r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在t 奴中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：醯磊日期：趔磋盟婴 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：歪夔蒸导师签名： 日期： 2 彩乒8 够 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景i l j 导航卫星系统是为地面、海洋、空中与太空的各种用户提供定位与导航资讯 服务的专业卫星系统。目前美国的“全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ，简 称g p s ) ”已在轨运行服务十余年，其提供的定位与导航相关服务，被美国军方 与全球民间用户广泛使用。俄罗斯的“全球导航卫星系统( g l o b a ln a v i g a t i o n s a t e l l i t es y s t e m ，简称g l o n a s s ) ”于1 9 9 5 年建构完成。欧洲1 5 国倡议共同建 构的“伽利略( g a l i l e o ) 导航卫星系统”则正处于计划与研讨阶段。 2 0 0 0 年1 0 月、1 2 月和2 0 0 3 年5 月中国先后三次成功发射“北斗”导航试验 卫星，为中国“北斗”导航系统建设奠定了基础。北斗导航系统是我国独立研制开 发的第一代区域性有源双向卫星导航定位通信系统，是全天候、全天时提供卫星 导航信息的区域导航系统，主要为公路、铁路交通及海上作业等领域提供导航定 位服务，有着广泛的应用价值和发展潜力。 1 2 北斗导航卫星系统简介 2 - 4 】 北斗导航卫星定位系统目前是由定位于赤道上空的地球同步卫星、地面中心 站、用户终端三部分组成的。 该系统的主要功能有： 1 定位：快速确定用户的地理位置，向用户及主管部门提供导航信息。 2 通讯：用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向简短数字报文 通信。 3 授时：中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值。 北斗导航系统在国际电信联盟登记的频段为卫星无线电定位业务频段，上行 为l 频段( 频率1 6 1 0 1 6 2 6 5 m h z ) ，下行为s 频段( 频率2 4 8 3 5 2 5 0 0 m h z ) ： 登记的卫星位置为赤道面东经8 0 度、1 4 0 度和1 1 0 5 度( 最后一个为备份星星 位) 。 北斗导航系统是我国独立自主建立的卫星导航系统，它的研制成功标志着我 国打破了美国g p s 系统、俄罗斯g l o n a s s 系统在此领域的垄断地位，对于我 国国防和经济建设具有重要的意义。 1 2 1 北斗的特点 我国目自u 运行“北斗”一号区域性有源导航定位系统，与g p s 等全球定位 系统有较大区别：“北斗”一号在某些方面并不优于g p s ，但也具有后者所没有 东南人学硕。i ：论文 的长处o 1 双星定位 “北斗”一号只用双星定位，比g p s 等球定位系统投资小、建成快，这是 我国国情决定的，也对“北斗”一号的技术路线提出了特殊的要求，所以该定位 系统具有自己的特点。 美国的g p s 和俄罗斯的g l o n a s s ，都是使用2 4 颗卫星( g p s 还另有3 鬏 备份卫星，g l o n a s s 则因经费问题损失了几颗卫星) 组成网络。这些卫星不中 断地向地面站发回精确的时间和它们的位置。g p s 接收器利用g p s 卫星发送的 信号确定卫星在太空中的位置，并根据无线电波传送的时间来计算它们间的距 离。等计算出至少3 4 颗卫星的相对位置后，g p s 接收器就可以用三角学来算 出自己的位置。每个g p s 卫星都有4 个高精度的原予钟，同时还有一个实时更 新的数掘库，记载着其它卫星的现在位置和运行轨迹。当g p s 接收器确定了一 个卫星的位置时，它可以下载其它所有卫星的位置信息，这有助于它更快地得到 所需的其它卫星的信息。 “北斗一号”采用的基本技术路线最初来自于“双星定位”设想，正式立项 是在1 9 9 4 年。北斗卫星导航系统由空间卫星、地面控制中心站和用户终端等3 部分构成。空白j 部分即“北斗一号”出两颗工作卫星和一颗备份卫星组成。 用户利用“北斗一号”定位的办法是这样的，首先用户向地面中心站发出请 求，地面中心站再发出信号，分别经两颗卫星反射传至用户，地面中心站通过计 算两种途径所需时间即可完成定位。“北斗一号”与g p s 系统不同，对所有用户 位置的计算不是在卫星上进行，而是在地面中心站完成的。因此，地面中心站可 以保留全部北斗用户的位置及时间信息，并负责整个系统的监控管理。 2 有源性 “北斗一号”采用的是有源定位，g p s 和g l o n a s s 等都是无源定位，这是 它们本质上的不同点。 所谓有源定位就用户需要通过地面中心站联系导航定位卫星，而无源定位是 用户直接与卫星联络确定自己的位置。我国采用有源定位是因为单靠双星定位只 能确定用户所在的两维位置，不能同时得到用户所在地的海拔高度。而地面中心 站在获得卫星返回的用户两维位置后，可以根据计算器里的数据对应确定用户所 在地的海拔高度。g p s 和g l o n a s s 的主要功能都是定位和授时，应该说，从 用户获得这两项服务的便利和精确程度来看，“北斗一号”还处劣势。但是“北 斗一号”也比这两种全球定位系统多了一项功能一通讯。这样的好处是用户不必 另外携带一套通信设备。登山者不仅仅需要了解自己所处的时削和位置，与大本 营联系也很重要，通过“北斗一号”及地面中心站的传输，通讯就不必通过其它 的通讯卫星了，一星多用符合我国国情。g p s 和g l o n a s s 没有设计通讯功能， 第一章绪论 主要原因就在于不需要地面站中转服务的无源定位不能提供通讯服务。 3 区域性 “北斗一号”是区域卫星导航系统，只能全天候、全天时用于中国及其周边 地区：而g p s 和g l o n a s s 都是全球导航定位系统，在全球的任何一点，只要 卫星信号未被遮蔽或干扰，都能接收到三维坐标。区域性是我国双星定位的技术 特点、水平以及国家需求决定的。 g p s 和g l o n a s s 的空间部分是高度在2 力千米左右的卫星组成的网络。 g p s 的卫星平均分布在6 个轨道平面上，g l o n a s s 卫星平均分布在3 个轨道平 面上，不停地绕地球旋转。这样，在全球的任何位置、任何时间都可同时观测到 4 颗以上的卫星，通过它们就可以获得高精度的三维定位数据。 “北斗一号”是双星定位，轨道偏高，距离地面3 万6 千千米，是地球同步 静止轨道卫星。之所以要在这么高的高度是因为我们只有两颗定位卫星，不能覆 盖整个地球，如果在较低轨道上绕地运行，每天就要有一定时间不能监控我国所 在区域。 1 2 2 工作原理 北斗导航系统的定位原理：1 9 8 2 年提出“双星主动式卫星定位系统”，采用 3 球交会测星原理进行定位，2 颗卫星为球心，2 球心至用户的距离为半径可作2 球面；另一个球面是以地心为球心，以用户所在点至地心的距离为半径的球面； 3 个球面的会交点即为用户的位置。 北斗导航系统的工作过程：用户随时都可以收到卫星广播的询问信号，这个 信号是由控制中心发给2 颗卫星的，经卫星转发器播发，用户响应其中l 颗卫星 的询问信号，通过用户发射机同时向2 颗卫星发送响应信号，再经卫星转发回到 地面控制中心，控制中心接收到并解调用户发送来的响应信号，根据用户的申请 服务内容进行相应处理。 北斗导航系统定位的计算方法：控制中心测出用户发出的定位响应信号到2 颗卫星的2 个时间延迟，由于控制中心和2 颗卫星的位置是已知的，从上述的2 个时间延迟量可以计算用户到第一额卫星的距离，以及用户到2 额卫星距离的 和，而且也知道用户处在以第一额卫星为球心的1 个球面和以2 颗卫星为焦点的 椭球面的交线上，控制中心站存有数字地图，查寻到用户高程值，计算出用户所 在点的三维坐标，再通过卫星发给用户。 北斗导航系统通信过程：控制中心接收到用户发送来的响应信号中的通信内 容，进行转换后再发送到北斗导航系统的用户终端收件人。 北斗导航系统的工作步骤总结如下： 1 、控制中心向2 颗卫星发送询问信号； 东南大学硕i j 论史 2 、卫星接收到询问信号，经卫星转发器向服务区用户播发询问信号； 3 、用户响应其中l 颗卫星的询问信号，并同时向2 颗卫星发送响应信号； 4 、卫星收到用户响应信号，经卫星转发器发回控制中心： 5 、控制中心收到用户响应信号，解调出用户申请的服务内容： 6 、控制中心计算出用户的三维坐标位置，再将它发送到卫星；进行相应的 处理；或者用户的通信内容再发送； 7 、卫星又收到控制中心发来的坐标数据或者通信内容，经卫星转发器发给 用户或者收件人。 虽然北斗导航系统的工作过程比较繁琐的，但是它采用码分多址制式，抗干 扰能力大大优于现有的卫星导航系统。 1 2 3 未来展望 此次组建第一代卫星导航系统之后，我国将着手准备第二代卫星导航系统的 建设。第二代系统将更加符合国际发展趋势。许多新技术的应用将使系统的功能 更加完善。我国发展“北斗”二代不会采取一步到位的方式，也不会停掉一代， 另外发展二代，我们会在一代的基础上不断补充卫星数，增加其功能，提高其整 体水平。“北斗”二代可以称为“中国的c a p s ”，不过它仍然会比g p s 多一个通 讯的功能。 目前，g p s 已发展到第三代，我国将从“北斗”一代的基础直接跨到g p s 第二代的水平，这也是“北斗”二代的目标。 发展“北斗”二代的工作比一代要复杂得多，卫星技术、地面站的完善、用 户终端的开发、关于原子钟的各项基础研究和应用研究等等，这是一项长期的系 统工程。 “北斗”一号第三颗卫星的准确入轨和成功定点，为发展我国二代“北斗” 的关键技术提供了准备。此次定位的“北斗”一号备份卫星上新装载了用于卫星 定位的激光反射器，能够参照其它星，把自身位置精确定格在几个厘米的尺度以 内。这颗卫星已定位成功，表明这种技术是有效而可靠的。这样，当我们不断发 射新的卫星构建二代“北斗”体系时，众多卫星就会找准自己的位置，构成符合 标准的网络。此外，“北斗”一号的3 颗星寿命都是8 年，专家正不断研究，预 计下一次发射的卫星寿命就能达到l o 年左右了；而目前g p s 卫星的寿命都是1 2 年左右，g l o n a s s 卫星的寿命则是3 到5 年。 全球定位系统的导航星和地面站依赖于高精度的原子钟。目前的原子钟主要 有3 种：铷钟、铯钟和氢钟。结构紧凑、可靠性高、寿命长的原子钟正是发展全 球定位系统必需的。在结构方面，铷钟最小体积已达到6 立方厘米；在频率稳定 度方面，氢钟最好；而在长期频率稳定度和准确度方面，则以铯钟最佳。目前， 4 第一章绪论 设在中国计量科学研究院的国家授时中心使用的就是被称为“激光冷却一铯原子 喷泉频率基准”的铯钟，我国的授时基准u t c ( n i m ) 都是由它提供并不断 同国际基准校j 下的，而“北斗”一号的时问基准也是由此而来。 “北斗”的用户终端导航定位接收机也在进一步发展完善。但是由于接 收机的一些重要部件还需要依靠进口，目前的产量很小，价格也高过g p s 终端 的许多倍。现在国内的不少单位都在积极丌展相关的研究。 2 0 1 0 年前，集无源和有源定位于一体的我国导航定位系统一二代“北斗” 将建成，届时国民经济各领域都将从中获得更大的效益。 1 3 本文研究内容与安排 本课题的目标是根据项目需求，研制小型化北斗导航系统授时终端的射频 前端，包括有源天线模块和射频接收模块两部分，使之能和基带部分相配合构成 一个完整的卫星授时系统。由于模块包含了完整的北斗卫星射频接收前端，经扩 充可应用于北斗导航系统的定位应用。文中的主要研究工作包括：根据系统指标 确定系统方案，利用e d a 软件对天线和射频日u 端系统的各个部件进行仿真和设 计，p c b 设计与制作，对电路进行调试和优化，以达到预定技术指标，最后给出 整机测试结果。 论文共分为六章： 第一章为绪论，介绍本课题的研究背景、任务和内容。 第二章为射频前端的方案与指标分析，列出了系统指标和系统方案，并针 对有源天线模块和射频接收模块的性能指标进行了详细介绍与分析。 。 第三章为有源天线模块的设计与研制。分别介绍了单馈点圆极化微带天线 与低噪声放大器的设计、仿真与测试结果。 第四章为射频接收模块的设计与研制。首先介绍接收模块的方案，然后详 细描述几个主要部件的原理、设计与测试结果，最后给出了射频接收模块的实物 与测试结果。 第五章给出了整个射频自a 端测试结果，并对全文总结。 第二章射频前端方案与指标分析 2 1 引言 射频前端是通信系统的关键组成部分，为通信系统提供信息传输的无线空中 信道。射频电路对整个系统的构造和性能是至关重要的，一直是系统研究和开发 的难点和重点之一。本章将先讨论系统的方案，在此基础上确定有源天线模块和 射频接收模块的具体要求，最后对一些关键指标进行分析。 2 2 方案介绍 该射频前端分为有源天线模块和射频接收模块两部分，如图2 1 所示。天线 部分采用圆极化微带天线。射频接收部分采用数字中频方案，射频信号经过一次 变频为7 0 m h z 的中频信号，直接由a d c 采样，然后由基带部分处理。这样减 少了元器件的数量，简化了设计，缩小了尺寸，降低了成本，而且该方案只需要 一个频率合成器。 幽2 - 1 射频前端的结构框图 围 2 2 1 天线的选择p 刮 接收天线的主要功能是将无线电波能量转化为高频电流能量。在卫星通信系 统中通常采用圆极化方式，以避免线极化波通过电离层时，由于法拉第旋转效应 引起极化失配。同时采用圆极化方式还可以提高收、发之间的隔离，或增加系统 的通信容量。由于卫星信号是圆极化波，所以所有的接收天线都是圆极化工作方 式。 微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。它 利用微带线或同轴线馈电，在导体贴片与接地板之白j 激励起射频电磁场，并通过 贴片四周与接地板自j 的缝隙向外辐射。通常介质基片的厚度与波长相比是很小 的，因而实现了一维小型化，属低剖面型天线。 微带天线在结构和物理性能方面具有许多突出的优点。主要有：剖面低、体 积小、重量轻，具有平面结构，易于和导弹、卫星等空间飞行器的表面共面共形； 天线辐射单元及其馈电电路都可集成在同一基片上，适合于用印刷电路技术大批 量生产，成本低，具有市场竞争力；天线形式和性能多样化，如便于获得圆极化， 6 容易实现双频段、双极化等多功能工作。 本文采用单馈点圆极化微带天线实现。考虑到卫星信号比较微弱，在天线的 输出端加入了低噪声放大器进行前置放大。 2 2 2 接收机的结构1 7 - 8 1 射频接收机通常有超外差接收方案和直接变换方案等。 图2 - 2 是超外差接收机的基本结构框图。超外差结构使用最为普遍，而且能 够实现良好的信道选择特性。射频信号通过滤波器后放大，接着转换为中频信号， 在中频频率上实现信道滤波。中频的频率是恒定的，信道的选择是通过改变射频 混频器的本振频率来实现的。从接收机整机噪声系数指标的角度来看，位于射频 混频器之前的低噪声放大器( l n a ) 是关键的部件。典型的l n a 噪声系数指标 一般小于3 d b 。高性能的l n a 的噪声系数在l d b 以下，而相应的功率增益在3 0 d b 以上。中频声表面滤波器是实现良好信道选择特性的关键部件。声表面滤波器的 插入损耗较大而且成本比较高，因此，人们也在寻找其他的接收方案，如直接变 换接收机等。 l n ar f i _ o 1 1 i2 2 超外差接收机的基本结构框图 图2 3 描述了直接变换接收机的结构框图。在该方案中，接收到的射频信号 直接混到i 0 基带信号，使用简单而便宜的低通滤波器来进行信道滤波。这种结 构大大降低了接收机的复杂性，省去了高损耗而且昂贵的中频声表面滤波器。从 体积及电路结构的复杂性上考虑，比较适合在移动台的系统中使用该方案。然而 直接变换接收机在技术上存在一些难点。比如，射频本振频率有可能与附近的干 扰信号进行自混频而出现d c 或低频漂移信号，而这些信号在基带的有效频带 内，因此无法通过基带滤波器有效地滤除，从而导致了a d c 和基带放大器的偏 置漂移，a d c 和基带放大器出现饱和或截止现象。在直接变换接收机中，正交 射频本振是其中的关键，它必须提供良好的幅度平衡度和相位平衡度。混频器的 隔离度应该相当高以避免出现自混频问题。此外，混频器本身应该具有良好的线 性，以防止相邻，相间信道干扰所产生的互调产物。 闻一基带滤波器i 电。 惦基带滤波器i 幽2 - 3 直接变换接收机的基本结构框图 q 随着移动通信的发展，人们对移动通信设备的兼容性和可扩展性提出了越来 越高的要求，因此在无线接收机的设计中应当减少功能单一、灵活性差的硬件电 路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理( a d 变换) 尽可能靠近天线，采用 d s p 软件灵活处理数字化的信息完成解调、译码、数据格式转换等功能，以适应 接收不同通信标准信号的要求。以当前的技术发展水平，a d 转换器的性能( 如 转换速率、工作带宽、动态范围等) 以及d s p 或a s i c 处理速度还不能满足实现 射频数字化接收机的要求。采用中频数字化接收机是现阶段的可行方案。 超外差接收机数字中频方案如图2 - 4 所示。首先射频信号通过模拟器件变换 为某一中频信号，然后经过a d 带通采样数字化，经过a d 的数字信号直接由数 字下变频( d d c ) 变换到基带进行处理。本课题采用的就是这种接收机方案。 l n ar f l o 幽2 4 数字中频的超外差接收机基本结构框图 q 第一二章射频前端方案与指标分析 2 3 关键指标分析 2 3 1 噪声系数f 7 l 噪声系数是接收机的一项重要指标。接收机的噪声系数定义为： n f ( d b ) = 1 0 1 0 9 坼= 1 0 1 0 9 ( 器) ( 2 1 ) 其中巴己，p 螂匕为接收机的输入、输出信噪比。在理想情况下，接收机不引 入噪声，这时输出信嗓比等于输入信噪比，f = 1 。在一般情况下，n f 1 。对于 图2 - 4 所示的多级器件级联组成的接收机，前级放大器的噪声系数对整机噪声性 能的影响最大。 图2 - 5 多级器件级联的接收机 令f 表示接收机的总噪声系数，l 、2 、3 表示各级器件的噪声系数， g l 、g 2 、g 3 表示各级器件的功率增益，则f 可以表示成： 以= m 十等+ 筹一老去。 。， 可以看出，当g l 、g 2 、g 3 足够大时，接收机的总噪声系数主要由第一级，或 前两级决定。 2 3 2 接收机灵敏度【7 ， 对于模拟信号，接收机的灵敏度定义为输出信号满足一定的信噪比要求时， 所能接收到的最小的信号功率。 迸入接收机输入端的信号有两种，有用信号p 。i 。和热噪声信号r 。，由于 接收机通道中电路本身也会产尘噪声 r f ，因而在解调处有用信号和噪声信号的 比例为： 毛n ，= 矗。一p 。一n ， ( 2 3 ) 其中z v ，是有用信号平均比特能量与噪声和干扰功率谱密度的比值，又称为解 调门限，相当于模拟f m 调制的c ，i ( 载干比) ，是衡量数字调制和编码方式品质 因素的标准。历蝴的值取决于该系统的调制方式和解调算法。尸n 。为接收机输 入口处的热噪声信号，又称本底噪声，其数值为p n ，。= 1 0 1 0 9 ( k t o b 忉，其中 9 k = i 3 8 1 0 。3 j k 是波尔兹曼常数，死为标准噪声温度，t o = 2 9 0 k ，则： 匕。= 1 0 1 0 9 ( k r o ) + 1 0 1 0 9 ( b w ) = 一1 7 4 ( d b m ) + l o l o g ( b 阡7 ) ( 2 4 ) 式中b w 为系统信道带宽。 对于该系统而言，b w = 8 1 6 m h z ，由式可以推出理论上灵敏度尸。为： p t 。= 一1 7 4 ( d b m 、+ 1 0 1 0 9 ( b w 、+ n f + e b n | = - 1 0 5 + n f + e 5 n t t 2 5 ) 通过对接收机灵敏度和噪声系数指标的分析，可见两者是相关联的。在折衷 考虑设计时需要注意选择设计方案使得总的噪声系数满足要求。对接收电路而 言，根据级联电路噪声特性，第一级低噪声放大器的噪声系数对整个接收系统的 噪声系数至关重要。 2 3 3 相位噪声1 o l 相位噪声描述了一个振荡器的短期随机的频率波动。相位噪声一般用 d b c h z 表示。相位噪声是随机信号对振荡器调幅、调相( 或调频) 作用的结果。 相位噪声对接收机的影响如图2 - 6 所示。如果一个纯净的信号从r f 端口输 入，本振信号和它的相位噪声与r f 信号混频。这样生成的l f 信号中就会包含本 振的相位噪声。如果一个弱期望信号与一个邻近的强干扰信号进入r f 端口，与 接收机本振相位噪声混合，将使得接收信号遭受干扰，强信号变频后的相位噪声 将叠加在混频器后期望的i f 信号上，从而影响接收机的性能。可见，系统需要 极低的本振相位噪声，以免影响接收机的性能。 单音十扰 单音干扰 掣n “厶 1 翮一i 期掣倍吁i 偏移l ol l 图2 - 6 本振相位噪卢对接收机的影响 2 4 射频前端的主要技术指标与指标分配 主要技术指标如下： 天线仰角1 0 度以上增益大于0 d b i 天线中心频率：2 4 9 1 7 5 m h z - q ：5 m h z 天线极化：右旋圆极化 o 天线轴比： 2 d b 天线方向图宽度：心形方向图，方位3 6 0 。，俯仰8 0 - - 1 0 ，1 0 - - 8 0 0 天线驻波比： 6 0 d b ( 偏离中心频率1 4 m h z ) 本振相噪 6 5 d b c l k h z 通道随环境变化引起的信号时延变化：、 o ) 或负的( as 6 0 d b ( 偏离中心频率1 4 m h z ) 本振相噪：6 5 d b c l k h z 通道随环境变化引起的信号时延变化：5 n s ( 1 0 一十4 0 1 2 ) 射频接收模块采用一次变频方案，功能框图如图4 1 所示。 l n a b p fa m p l m i x e r a m p 2l c b p f t l 0 a m p 3l c b p f 2 v g aa m p 4 母眵一p 幽4 - i 射频接收模块功能框幽 天线接收的射频信号经过低噪声放大器( l n a ) 、镜像抑制滤波器( b p f ) 、 增益模块( a m p i ) 后送至下变频器( m i x e r ) ，转换为中频信号，再经过中频 放大( a m p 2 、a m p 3 ) 和l c 带通滤波器( l c b p f l 、l c b p f 2 ) 后送至可变增 益放大器( v g a ) ，最后由差分运放( a m p 4 ) 输出差分中频信号给基带部分处 理。 4 3 射频接收模块通道特性的仿真 根据所选元器件的技术指标，按上述接收通道的电路组成，采用a g i l e n t 公 司a d s 软件对接收通道特性进行仿真，以验证射频接收模块的总体指标和各级 电路的电平分配的合理性。仿真框图如图4 2 所示。 射频接收模块的增益和噪声系数的仿真结果分别如图4 3 和图4 - 4 所示。在 系统接收频段内，通道级联增益最高可达8 0 d b ，噪声系数小于4d b ，带外抑制 可达6 0 d b 以上。表明元器件选型丁f 确，各级电路电平分配合理，可满足系统的 指标要求。 图4 - 2 射频接收模块仿真框图 1 0 0 一， 8 t l 一一一， 8 0 一，一。一一：j 一一 4 0 一 一一一一 2 0 一 = = _ 一 一 。一一。一一i 一，： - 2 0 一一- - l 4 0一一 - 6 0 一 - 一一一、 ， 一 2 4 5 02 4 6 02 4 7 02 m “ 2 5 0 02 5 1 0 r ff r e l ( 幽4 3 射频接收模块增螽仿真结果 第四章射频接收模块的设计与研型 宣 31 5 一l _ _ 生。 1 0 一l ，- 5 j _ j 一= = = 掣二i r ff c e c l f m 恸 图4 4 射颡接收模块噪声系数仿真结果 r f l ；2 4 q 2 e 3 m 1 = 1 6 8 1 4 4 电路仿真与实现 4 4 1 匹配电路的设计1 2 z - 2 4 j 在系统设计时，各级电路问的匹配是极其重要的。相邻的两级电路间如果匹 配得不好，将会损失所传递信号的能量，还可能使信号产生畸变。对于射频信号 而言，经常要在各级电路的输入输出端加上选频网络，或做宽带阻抗匹配。对关 键的元器件的匹配必须要单独进行仿真和调试。在射频及较低的微波频段，集总 l 、c 元件可以有效地实现阻抗匹配。相对于分布参数电路而言，集总元件有着 尺寸较小、带宽较宽的优点。而在较高的微波频段，分布参数电路如调谐短截线 的尺寸变小，而且有着损耗低的优点，因而应用较多。 最常见的l c 匹配网络是l 型网络，这种网络采用两个电抗元件将负载阻抗 变换为需要的输入阻抗。如图4 5 圆图所示，串联电感将导致负载沿着等电阻圆 顺时针移动；串联电容将导致负载沿着等电阻圆逆时针移动；并联电感将导致负 载沿着等电抗圆逆时针移动；并联电容将导致负载沿着等电阻圆顺时针移动。由 于等电阻圆与等电抗圆是完全正交的，那么适当地选择串联和并联元件就可以将 任何负载移动到圆图的相应位置，即输入阻抗的位置。 总的来说，有8 种l 型l c 匹配网络的形式，如图4 5 示。我们可以根据实 际需要选择合适的匹配网络形式。例如，匹配网络4 适合作为放大器的输出匹配 网络，因为并联的电感可以兼作馈电，串联的电容又可兼作隔直电容 2 3 , 2 4 - c h a p 卯。 一一 巧 ，! l 蜚 ， i如s 丰 ：皆主 e i 嚣：。，一j 。i 三= 。 毕李 ， 毒i ，一”。 一1 、- 一 一 ； 壬 a ；善 s- f 一一 i ! f4 - 5 分立元件匹配网络结构 l 型匹配网络简单、实用，但是它的最大缺点是电路的品质因数完全由源阻 抗和负载阻抗决定，而设计者无法控制。在一些实际应用中，匹配网络的品质因 数是非常重要的。如，当设计宽带放大器时，我们需要降低网络的品质因数以增 加带宽；当设计振荡器时，需要提高网络的品质因数以抑制输出信号中的有害谐 波。这时需要采用三个元件组成的匹配网络，通常有t 型或兀型网络【2 3 。2 4 1 。 4 4 2 中频l c 带通滤波器的仿真与设计【2 5 。2 6 l 中频l c 带通滤波器的设计是本课题的一个难点。由于系统对通道时延的要 求较高，因此不宜采用时延较大的声表面波( s a w ) 滤波器。同时系统对带内 波动和带外抑制也提出了较高的要求，因此选择两级5 阶l c 带通滤波器级联来 实现。 l c 滤波器由电感l 和电容c 组成，由于并联谐振电路在其谐振频率上阻抗 达到最大，而串联谐振电路在其谐振频率上阻抗达到最小，因此，如果在滤波器 的串联臂中接入l c 并联谐振电路则就可以实现带阻，接入串联谐振电路就可以 实现带通，反之，在并联臂中接入并联谐振电路可实现带通；接入串联谐振电路 就可以实现带阻。典型的带通滤波器如图4 - 6 所示。 l 3 = c 3 幽4 - 6 典耻的l c 带通滤波器电路幽 1 l 一 一一一一 一 箍婴童墅频接收模块的设计与研制 常用的滤波器大致有三种类型，即巴特沃思( b u t t e r w o r t h ) 滤波器，切比雪 夫( c h e b y s h c v ) 滤波器和椭圆( c a u r - c h e b y s h e v ) 滤波器。 b u t t e r w o r t h 型滤波器是按照通带内获得最大平坦的振幅频率特性来综合的， 3 d b 的衰耗点为滤波器的截止频率，根据截止频率求得滤波器的归一化元件值， 然后根据实际阻抗值加以转换，以求出实际的元件值。这种滤波器的优点是振幅 频率特性和群时延特性比较平坦、容易实现，缺点是通带至阻带的过渡特性不够 陡。 c h e b y s h e v 型滤波器是针对上述b u t t e r w o r t h 型的缺点，在通带内引入定的 等波纹衰耗来设计的。这种滤波器的特点是通带进入阻带时特性比较陡，但进入 阻带后，衰耗特性不如上述滤波器好，并且带内时延也不够平坦。 c a u r - c h e b y s h e v 型滤波器设计的出发点是，除了带内有等波纹的衰耗外，在 阻带内引入衰耗达到某一极值的所谓衰耗极点，这些衰耗极点是为了抑制带外某 些特定干扰频率。这样既可以使通带进入阻带的特性比较陡，又可以在阻带内获 得必要的衰耗，改善阻带特性。这种滤波器的应用比较广泛。 上述三种滤波器的设计，既可以根据现成的手册、图表查阅，也可以根据利 用现成的滤波器设计软件进行设计。 但是在本系统中，带通滤波器既要求通带内有尽可能平坦的幅频特性，通带 与阻带的过渡特性应具有一定的陡度，阻带有足够的衰耗，还希望在阻带的某些 频率衰耗特别大一些。因此，上述三种滤波器不能满足这些特殊要求，必须采用 别的设计方法。先选择合适的滤波器原型，在此基础上通过计算与仿真相结合， 设计出合适的滤波器。 滤波器的原型如图4 7 所示。由前面的分析可知，串联臂上的并联谐振回路， 当信号频率与该回路的谐振频率相等时，呈现极大的阻抗，从而对该信号频率构 成很大的衰减。因此，c 2 l 2 ，c 山在大于f o 处产生衰耗极点。同样，并联臂上 的串联谐振回路也能构成衰耗极点，因为在信号频率与该回路的谐振频率相等 时，回路的阻抗很低，对信号起旁路作用，所以l 3 ，c 。在小于f o 处产生衰耗极点。 由于l 2 c 2 ，l 托6 的谐振频率高于通带频率，所以在通带内呈感性，因此它 们分别与c 3 和c 7 构成串联谐振电路。而l 3 c 4 串联谐振电路的谐振频率低于通 带频率，因而在通带内也呈现感性，这样与c 5 构成并联谐振回路，再加上l l c l ， l 5 c s 两个并联谐振电路，因此对通带而言，这个滤波器由三个并联臂中的并联 谐振电路和两个串联臂中的串联谐振电路组成，符合图4 6 所示的l c 带通滤波 器的一般型式。 z z l o m c 3 1 一+ j 。- b r c 2c e o- u c 1b( c 5 _ 一一 r ： 一 c 7 譬 一一- b c ) 一c e 幽4 7 l c 滤波器原型 为了便于制作，将上图的原型电路进行网络转换，力求使滤波器的每一个结 点对地有一个电容，以便于每个结点处的对地分布电容折合到该电容中去，降低 分布电容的影响。在网络转换时，还应考虑到元件值的可实现性，如通常电容c 应大于2 p f ，否则由于分布参数的影响，实际制作时将发生困难。网络转换后的 滤波器原理图如图4 8 所示。 = ，一 = 一口 一_ + ! 图4 - 8 单级滤波器电路幽 一；+ 一_ - 驴 用m i c r o w a v eo f f i c e 软件对滤波器进行仿真与优化，得到了较好的仿真结果， 实际测试结果与仿真结果基本一致。在一定的容差范围内，滤波器的一致性好， 减少了调试工作的时问。适宜小批量生产。下面给出了最终两级放大器与两级滤 波器级联的电路图、仿真结果与实际测试结果。 第心章射频接收模块的设计与研制 曲和删 。 c5h 一! 一 州 1 * a ：一镐唑 _ 一 一j 一卜1 _ “ 一。( ”i 一一”。一 “” 。 “事二 f ： 一二一：上一：王二一一2 1 -+ 一 一 一卅一r 一 幽4 9 l c 滤波器级联电路图 f r e q u e n c y ( m h z ) j ! l4 - 1 0 滤波器仿真结果 黼诚 玺函 釉i 幽4 - 1 1 滤波器实测结果s 2 i n t ，l ，z l h + y t i 一i 嘲黼 41 蝴# g e 。1 r 、，一巧= j _ nn 7 强 ”1 i 7 ；画i i 1 南i 丽；- i 笠| 4 1 2 滤波器实测结果$ 2 2 对滤波器的时延特性做了高低温试验。由下图的时延曲线可见，在3 0 + 5 0 之间，滤波器通带内的时延变化小于5 n s ，较好地满足了指标要求。 伯o柏 1 4 5 4 二1 4 3 c v 捌 苔 1 4 1 1 加 o 2 。4 0 温度( ) 幽4 一1 3 滤波器时延曲线 在设计中，应选择高q 值的电感，特别是在较高的频率下，这样可以减少 插入损耗和降低边缘的圆滑程度。并仔细考虑电容的选择，如果电容容许误差较 差或者温度特性差，会使得滤波器通带特性、中心频率、回波损耗发生变化。 4 4 3 频率合成器的设计 8 , 2 7 - 3 川 1 锁相式频率合成器的工作原理 频率合成器是射频模块的关键部件之一，它为混频器、调制器和解调器提供 本振激励信号。本振信号的质量将直接影响最终接收信号的质量。频率合成器是 通过一个或多个参考源产生一个或多个频率源的系统，作为一种高质量的信号源 被广泛用于雷达、导航、电子对抗、仪器测量等领域。目前频率合成器技术主要 有直接式、锁相式、直接数字式和组合形式等，其中最常用的锁相式频率合成器。 锁相式频率合成器，又称锁相坏，简称( p l l ) ，它利用环路的反馈原理来产 生新的频点，构成环路的部件主要有压控振荡器、可编程分频器、鉴相器、环路 滤波器等。根掘部件工作形式的不同，p l l 又分为模拟式和数字式两种。模拟 式p l l 的环路各部件均为模拟器件，一般应用于相位噪声或鉴相频率要求较高 的场合。数字式p l l 中分频器及鉴相器为数字器件，v c o 与环路滤波器为模拟 器件，是目前应用广泛的锁相环形式。锁相环的特点是体积小、重量轻、杂散少、 功耗低，但由于反馈的存在，使其入锁时i 日相对较长，不适用于需要高速频率切 换的系统中。 锁相环最基本的结构如图4 一1 4 所示。它由三个基本的部件组成；鉴相器 ( p d ) 、环路滤波器( l p f ) 和压控振荡器( v c o ) 。鉴相器是个楣位比较装置， 它把输入信号和压控振荡器的输出信号的相位进行比较，产生对应于两个信号相 第四章射频接收模块的设计与研制 位差的误差电压。环路滤波器的作用是滤除误差电压中的高频成分和噪声，以保 证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。压控振荡器受控制电压的控制，使压 控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢，直至消除频差而锁定。可见，锁相环的 实质是一相位负反馈系统。 图4 1 4 锁相环路基本构