GPS有源天线射频电路的设计方法. PDF

第26卷第24期电子设计工程2018年12月第26卷第24期电子设计工程2018年12月一种GPS有源天线射频电路设计方法王建平（宝鸡文理学院物理与光电技术学院陕西宝鸡7210016 ）摘要: 本文提出了一种GPS有源天线射频电路的设计方法. 天线射频电路主要分为组合电路和放大单元. 组合电路单元主要包括相移网络和信号组合电路，并且放大单元主要包括LNA，放大模块，电阻衰减器和滤波器. 根据设计方案和指标，有源天线射频电路的总增益，计算结果为34.67dB，仿真度为32.4dB，相差接近2.27dB，噪声系数的理论计算值为0.92 dB，仿真为1.15dB，差为0.23dB，均符合设计规范. 通道的带内波动和带外抑制主要取决于两级SAW滤波器的实际性能. 根据器件分析，它也符合设计规范. 关键词: GPS；有源天线射频电路； ADS仿真CLC编号: TN965.2文档标识号: A文章编号: 1674-6236（2018）24-0079-05 GPS有源天线的射频电路设计方法王建平（宝鸡艺术学院物理与光电技术研究所与科学，Baoji721016，中国）摘要: ThisarticleproposestheRFcircuitdesignmethodofGPSactiveantenna.TheantennaRFcircuitismainlydividedintothecombinationcircuitandtheamplificationunit.Thecombinationunitmainlyincludesthephaseshiftnetworkandthesignalcombinationcircuit.TheamplificationunitmainlyincludesLNA，amplificationmodule，resistanceattenuator，filterandsoon.Accordingtothedesignschemeandindex，thetotalRFgainoftheactiveantennais34.67分贝，thesimulationis32.4分贝，thedifferenceisnearly2.27分贝，thenoisefigureiscalculatedas0.92分贝，thesimulationis1.15分贝，andthedifferenceis0.23dB.Bothsatisfythedesignindex通道的带内波动和带外抑制主要取决于第二级SAW滤波器的实际性能. 设备分析，也满足了设计指标. 有源天线射频电路; ADS模拟近年来，各国非常重视沿传播方向的一定平面上的精确导航和定时，沿波的传播方向，技术，技术已广泛应用于军事和民用许多领域. 采用. 如果电场矢量沿顺时针方向顺时针旋转，则可以说更成熟的导航系统是: 美国的GPS系统和的右极化波. 用右手的拇指指向波的传播方向，GLONASS系统，欧洲的伽利略系统和中国的北斗电场矢量的极化波与其余四个手指的方向相同，并且[1 -4] [5]卫星导航系统，而GPS系统是最成熟和最广泛的.

成为右旋极化波. 空间发射GPS电磁波信号的GPS天线是导航和定位的关键组成部分. 主极化方向通常是右旋圆极化. 将空间传播的电磁波转换为在电路板上传输的导电有源天线的射频电路主要包含三个功能: 信号与行波结合. 天线主要分为有源和无源类型，有源天线电路，低噪声放大，带通滤波. 其中，信号合并单元是在天线上增加射频放大电路，而无源天线一般将空间的右旋圆极化信号通过天线的四个馈电点. 放大电路只有一个无源天线. 天线接收的信号垂直耦合为射频信号. 低噪声放大电路单次接收日期: 2018-03-23稿件编号: 201803204元，主要采用多级放大，在满足收益的前提下，进入基金项目: 宝鸡市科技计划项目（2017JH2） -19）；宝鸡文理学院重点项目（ZK2017023）作者简介: 王建平（1981—），男，陕西宝鸡，硕，讲师. 研究方向: RF通道架构和电路设计，测试等. -79-“电子设计工程”，2018年第24期线路匹配设计，降低噪声系数，提高接收机系统的灵敏度1设计指标和程序度. 与传统的低频电路设计方法不同，必须考虑入射电压[6]电压波与有源器件的匹配良好，以减小电压驻波比.

1.1主要设计指标带通滤波器单元主要基于系统规格，使用多级频率范围: 1575.42 +/- 10MHz；滤波器级联以抑制带外干扰信号. GPS天线相位带增益: 不小于30dB； [7]位中心偏差也是天线设计的重要组成部分. GPS有源噪声系数: 不大于1.5dB；天线射频电路设计指标，主要包括噪声系数，功率增益，带外抑制: 不少于35dB；带外增益，稳定性等. 设计和仿真的目的是通带内的平坦度: 不超过1.5dB. 通过电磁软件的仿真和优化，实现了电路方案的可行性. 1.2计划的设计和每个设计指标的合理预测减少了调试和制版周期. 射频电路方案如图1所示. 用于空间传播的GPS信号如图1所示. GPS有源天线射频电路方案的框图. 当使用天线上的四个馈电点旋转右旋圆极化卫星模块或设备时，热量会增加噪声量. 星形信号耦合到射频信道，并且四个射频信号通过三个S Ni iF =（1）电桥组合并发送到放大信道. 由于到S No o的圆偏振信号的相位达到4个馈电点，因此相位差为90度，因此在电桥的馈电点2到1中，S和S为输入和输出信号功率N和Ni oio阶段，需要使馈电桥1到1滞后90度，而馈电点3到电桥3的输入和输出噪声功率要滞后.

多级线性系统级联后的噪声相位需要在2号至1号电桥的馈电点之后90度，依此类推. 系数计算公式: 假设到天线的GPS信号的同相面是一个固定值，以馈电点1F -1 F -1F = F + 2 + 3 +⋯的相位（2）1 GG为参考，以及馈电点2至1. 电桥的相位延迟90度，电桥12至3至2的相位延迟为180度. 在馈电点4到2的电桥类型（2）中，F是的总噪声系数F，F，F1 2 3相位延迟了270度. 1号电桥输出信号和馈电点1的相位是系统的第一，第二和第三模块的噪声系数. 它是第一级模块的功率增益，第二级模块的相位相同，并且第二桥的输出信号的相位相对于第一桥G1G2延迟了180度. 为了满足3号电桥关闭时两个输入端子块的功率增益，从类型2中我们可以看到接收机的噪声系数与相位相差90度，因此No的相位. 2桥到3号桥延迟的每个模块的噪声系数和增益相关，关键取决于首先增加到270度，然后3号桥的输出是噪声系数和增益. GPS Xiaoxin [8-15]阶段损耗低. 换句话说，增加系统数量. 然后，信号进入LNA以进行低噪声放大和Filter_1频带的噪声系数. 必须降低第一级的噪声系数，以增加第一级通过滤波器，Amp增益模块以及随后的Filter_2带通的功率增益.

进行过滤，最后发送到GPS模块进行处理. 接收系统功率增益的计算通常基于系统各个级别上模块的增益和衰减之和，并且该方法只是预测器2 RF电路设计方法. 为了准确计算系统的总功率增益，我们必须考虑2.1关键参数和计算，以考虑每个有源或无源设备的输入和输出端口的回波损耗. 噪声系数是影响灵敏度的关键因素. 具体设计考虑了合并器单元的插入损耗和面积，内插法定义为系统信噪比的降低，即输入信噪比与输入损耗整个通道的噪声系数是Anaren产生的信噪比之比. 噪声系数的实质是一个3 dB的电桥，其中有热噪声通过该模型，型号: X3C21P1-03S，插入损耗为0.17dB，-80-Wang Jianping GPS有源天线RF电路面积的设计方法仅为6.4 * 5.1毫米组合单元中的相位要求大于20 dB，带宽为20 MHz，带内不均匀度为0.32 dB. 这可以通过调整50欧姆微带线的长度来实现. 它的设计长度只有1.4 * 1.2 * 0.46 mm，为了达到系统指标的要求，根据ADS软件进行计算. 低噪声放大器由Avago选择. 使用了两个滤波器级联，理论上的带外抑制大于40 dB. 成熟的MGA-684P8，芯片采用0.25umGaAs增强，以改善放大器模块的输入和输出驻波，调节通道增益，采用pHEMT工艺，在GPS工作频段内的噪声系数小于0.5dB. ，在芯片模块衰减网络之间插入1dB PI型电阻器.

如果增益大于17dB. 如TriQuint的表1所示选择增益模块Amp. 根据ECG001F-G的级联噪声系数和增益计算公式，该芯片使用高度可靠的InGaP / GaAs（2），（3）计算GPS RF通道. 级联的噪声系数是HBT工艺，它仅需要一个阻塞电容器，偏置电阻和扼流电感即可达到0.92dB和34.7dB的增益以满足设计要求. 合路器，低增益RF信号放大，在GPS信号的频率范围内增益. 20 MHz通带中的噪声波动和放大模块增益波动远远大于20 dB. 低噪声放大器和增益放大器模块的电源电压很小，可以忽略不计. 整个RF通道的带内波动主要取决于两个5V. 该滤波器采用TriQuint专门使用的GPS SAW滤波器. 理论上，最坏情况的信道带内波动是两个滤波器857139，中心频率插入损耗为0.63 dB，带外抑制滤波器的带内波动之和为0.64 dB. 表1 GPS RF通道关键参数的理论计算数据组合单位LNA PI衰减Filer_01 PI衰减Amp PI衰减Filer_02 PI衰减增益/ dB-0.34 18.38 -1 -0.63 -1 21.41 -1 -0.63 -1模块增益/ dB-0.34 18.3819.02-2.39噪声系数/ dB0.34 0.425.792.39级联噪声系数/ dB0.917037372级联增益/ dB34.67 2.2射频电路仿真和分析为了更真实地验证该程序的可行性，安捷伦的Advanced radio频率电路仿真软件ADS（AdvancedDesignSystem）gps 天线 电路，用于单元和通道电路仿真.

PCB板模型，使用Rogers R4350B，使用ADS软件中的微带线计算插件LineCalc，将介电常数设置为3.66，板厚设置为0.5mm，并且微带线的特征电阻为50 ohm. 图2组合单元电路仿真图[16]电阻来自匹配前后. 传输线的线宽模拟为1.1 mm，相位延迟为90度的微带线为28.1 mm，相位延迟为180度的微带线为56.3 mm，相位延迟为270的微带线度为84.4毫米. 图2是组合单元的电路仿真的. 扫描频率范围设置为0.5〜3 GHz，步进为1MHz，匹配的负载为50欧姆. 如图4所示，射频放大器单元的电路仿真，合并后的单元频率为1575MHz. 该点的功率损耗为1.4dB. 图3是RF放大仿真的，其中SNP4是低噪声放大器，仿真参数使用其官方网站的S2P文件，SNP5和SNP7是SAW滤波器，该芯片专门用于GPS信号滤波，插入损耗小，体积小，应用简单在仿真中，还使用了其官网的S2P文件，而SNP6是增益放大器模块. 模拟射频放大器单元的中心频率增益和带: 1〜2GHz，步进为1MHz，如图5所示，通道中心频率的增益为35dB，并且带设置为1565.42〜1585.42MHz，步进为0.01MHz，带内波动结果为1.1dB.

该通道的噪声系数如图7所示. 仿真结果为0.47dB. 图4组合电路单元的功率损耗-81-《电子设计工程》 2018年24期图7射频放大器单元的噪声系数. 图5是RF放大器单元的S21参数. 图8是GPS天线RF电路的带内变动的图. 6 RF放大单元的带内波动将图2和图3中的电路连接起来，从而形成GPS有源天线的RF通道电路. 使用ADS模拟整个射频信道，将扫描频率范围设置为1.566〜1.586 GHz，步进0.01MHz，带内波动为1.1dB，如图8所示，射频的带内波动[ [图17]频率放大单元与图6基本相同. RF通道的中心频率增益为32.4 dB，比RF放大器单元的增益低2.6 dB，插入损耗是合并单元的两倍. 如图9所示，RF信道[18]的噪声系数为1.15dB，比图7中的RF放大器单元的噪声系数大0.68dB. 因此，从信道仿真结果可以看出， RF通道增益，噪声系数，带内平坦度和带外抑制也如图9所示. GPS天线RF电路的噪声系数符合设计要求. L3用于输入回波损耗匹配. C3，，C5，C6是电源. 2.3单元电路设计[19]旁路电容器，一般选择大电容器和小电容器的组合. R1为整个RF通道的指标并满足要求后，为了获得功率稳定电阻，通常选择50欧姆.

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