GPS有源天线射频电路的设计方法

电子设计工程第26卷第26卷第24期2018年12月24日2018年12月接收日期: 2018-03-23稿件编号: 201803204基金项目: 宝鸡市科学技术计划项目（2017JH2 -19） 宝鸡文理学院重点项目（ZK2017023）作者简介: 王建平（1981-），男，陕西宝鸡人，硕士，讲师. 研究方向: RF通道架构和电路设计，测试等. 近年来，各个国家都非常重视精确导航和定时技术. 这项技术已广泛用于军事和民用领域. 当前，更成熟的导航系统包括: 美国的GPS系统，的GLONASS系统，欧洲的伽利略系统，中国的北斗卫星导航系统，而GPS系统是最成熟，应用最广泛的系统[1-4]. GPS天线作为导航和定位的关键组成部分，主要将在空间中传播的电磁波转换为在电路板上传输的导波. 天线主要分为两种: 有源和无源. 有源天线在天线上增加了射频放大电路，而无源天线没有放大器电路，只有无源天线. 在与电波的传播方向垂直的传播方向的平面上观察天线接收到的信号. 如果电场矢量随时间顺时针旋转，则称为右旋极化波. 拇指指向电波传播方向且电场矢量沿与其他四个手指相同的方向旋转的极化波也变为右旋极化波[5].

在空间中传输的GPS电磁信号的极化方向通常是右旋圆极化. 有源天线射频电路主要包含三个功能: 信号组合，低噪声放大和带通滤波. 其中，信号组合单元通常通过天线的四个馈电点组合空间右旋圆极化信号，然后耦合并合成射频信号. 低噪声放大电路单元主要采用多级放大. 在满足增益的前提下，介绍了一种GPS有源天线射频电路的设计方法. 王建平（宝鸡文理学院物理与光电技术学院，陕西宝鸡721016）摘要: 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合并和放大单元. 合并单元主要包括相移网络和信号合并. 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，计算得出有源天线射频电路的总增益为34.67 dB，仿真时为32.4 dB，相差近2.27 dB，理论噪声系数为0.92 dB，仿真是1.15 dB，差是0.23 dB. 设计指标. 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. 根据设备分析，它也符合设计规范. 关键词: GPS；有源天线射频电路； ADS仿真中文图书馆分类号: TN965.2文件标识号: A文章号: 1674-6236（2018）24-0079-05 GPS有源天线的射频电路设计方法王建平（宝鸡大学物理与光电技术研究所）文理学院，宝鸡721016）摘要: 本文提出了GPS有源天线的射频电路设计方法. 天线RF电路主要分为组合电路和放大单元. 组合单元主要包括相移网络和信号组合电路. 放大单元主要包括LNA，放大器模块，电阻衰减器，滤波器等. 根据设计方案和指标，有源天线的总RF增益为34.67 dB，仿真为32.4 dB，差异接近2.27dB，噪声系数为0.92 dB，仿真为1.15dB，差异为0.23分贝. 两者都满足设计指标. 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，还可以满足设计指标. 关键字: GPS;有源天线射频电路; ADS仿真--79“电子设计工程” 2018年第24期线路匹配设计，降低了噪声系数，提高了接收系统的灵敏度.

与传统的低频电路设计方法不同，入射电压波必须与有源器件良好匹配，以降低电压驻波比[6]. 带通滤波器单元主要根据系统规格采用多级滤波器级联，以抑制带: 1575.42 +/- 10 MHz；带内增益: 不小于30 dB；噪声系数: 不大于1.5 dB；带外抑制: 不小于35 dB；带内平坦度: 不超过1.5 dB. 1.2方案设计射频电路方案如图1所示. 空间传播的GPS信号如图1所示. GPS有源天线射频电路方案框图编号，通过天线上的4个馈电点，右侧圆极化卫星信号与射频耦合. 在该信道中，四个RF信号通过3个电桥组合在一起并发送到放大信道. 由于圆偏振信号以90度的相位差到达四个馈电点，因此到电桥1的馈电点2的相位需要比电桥1的馈电点1的相位滞后90度，而馈电点3的相位滞后到桥3上，需要将馈电点2滞后到桥1 90度，依此类推.

假设从GPS信号到天线的同相平面为固定值，以馈电点1的相位为基准，馈电点2到电桥1的相位延迟为90度，而到桥2的馈电点3为180度，到桥2的馈电点4的相位延迟为270度. 桥1的输出信号的相位与馈电点1的相位相同，并且桥2的输出信号的相位比桥1的相位延迟180度. 当将电桥3组合在一起时gps有源天线电路，输入端子的角度为90度，从电桥2到电桥3的相位延迟增加到270度，电桥3的输出是一个具有低损耗的小型GPS. 信号. 然后，信号进入LNA进行低噪声放大，Filter_1带通滤波，Amp增益模块重新放大，然后Filter_2带通滤波，最后发送到GPS接收模块进行处理. 2射频电路设计2.1关键参数和噪声系数的计算是影响接收机灵敏度的关键因素. 传统定义是降低系统信噪比，即输入信噪比与输出信噪比的比值. 噪声系数的本质是当热噪声通过模块或设备时，热噪声会增加. F = S i N iS o N o（1）其中，S i和S o是输入和输出信号功率，N i和N o是输入和输出噪声功率. 级联后的多级线性系统的噪声系数的计算公式为: F = F 1 + F 2 -1G 1 + F 3 -1G 2 + ...（2）在公式（2）中，F为接收机的总噪声系数F 1，F 2和F 3分别是系统第一，第二和第三级模块的噪声系数.

G 1是第一级模块的功率增益，而G 2是第二级模块的功率增益. 从等式2，的噪声系数与各个级别的模块的噪声系数和增益有关，关键取决于第一级的噪声系数和增益[8-15]. 换句话说，为了改善系统的噪声系数，有必要降低第一级的噪声系数并增加第一级的功率增益. 接收系统功率增益的计算通常基于系统各个级别上模块增益和衰减的相加，并且该方法仅是一种估计方法. 为了更准确地计算系统的总功率增益，必须考虑每个有源或无源设备的输入和输出端口回波损耗. 具体的设计考虑了合并器单元的插入损耗和面积，并且插入损耗与整个通道的噪声系数直接相关. 使用Anaren的3 dB电桥，型号: X3C21P1-03S，插入损耗为0.17 dB，-80面积仅为6.4 * 5.1 mm. 通过调整50欧姆微带线的长度来实现组合单元中的相位要求，并根据ADS软件计算其设计长度. 该低噪声放大器使用Avago相对成熟的MGA-684P8. 该芯片采用0.25um GaAs增强的pHEMT技术. 在GPS工作频带中，噪声系数小于0.5 dB，并且增益大于17 dB. 增益模块Amp使用TriQuint的ECG001F-G. 该芯片采用高度可靠的InGaP / GaAsHBT工艺. 它仅需要阻塞电容器，偏置电阻器和扼流电感器即可实现射频信号放大. 它在GPS信号的频率范围内. 增益大于20 dB.

低噪声放大器和增益放大器模块的电源电压为+5V. 该滤波器使用TriQuint公司的特殊GPS SAW滤波器857139，中心频率插入损耗为0.63 dB，带外抑制大于20 dB，带宽为20 MHz，带内不均匀度为0.32 dB，面积仅为1.4 * 1.2 * 0.46 mm，为了达到系统指标要求，两个滤波器级联，理论上带外抑制大于40 dB. 为了改善放大器模块的输入和输出驻波并调整通道增益，在芯片模块之间插入了1 dB PI型电阻衰减网络. 如表1所示，根据级联噪声系数和增益的计算公式（2）和（3），GPS RF信道的级联噪声系数被计算为0.92 dB，增益为34.7 dB，符合设计要求. 合成器，低噪声放大器和放大器模块在20 MHz通带中的增益波动非常小，可以忽略不计. 整个RF通道的带内波动主要取决于两级滤波器. 从理论上讲，信道的带内波动最坏的情况是两级滤波器的带内波动之和为0.64 dB. 表1 GPS RF通道关键参数理论计算数据增益/ dB模块增益/ dB噪声系数/ dB级联噪声系数/ dB级联增益/ dB组合器单位-0.34-0.340.340.917 037 37234.67LNA18.3818.380.42PI衰减-119.025.79 Filer_01-0.63PI衰落-1Amp21.41PI衰落-1-2.392.39 Filer_02-0.63PI衰落-12.2射频电路仿真和分析为了更现实地验证程序的可行性，安捷伦先进的射频电路仿真软件使用了ADS（ Advanced Design System）执行单元和通道电路仿真.

使用Rogers R4350B的PCB板用于GPS信号滤波，插入损耗小，体积小，应用简单. ，其官方网站上的S2P文件也用于仿真，而SNP6是增益放大器模块. 在模拟中心频率点增益和RF放大器单元的带: 1〜2 GHz，步长为1 MHz. 如图5所示，通道中心频率点增益为35 dB，带设置为1565.42〜1585.42 MHz，步长为0.01 MHz. 带内波动结果为1.1 dB.

该通道的噪声系数如图7所示，仿真结果为0.47 dB. 图2组合单元的电路仿真图图3射频放大器单元的电路仿真图图4组合单元的功率损耗王建平GPS有源天线RF电路的设计方法-《电子设计工程》 2018年第1期24 5 S21射频放大单元的参数图6射频放大单元的带内波动连接图2和图3中的电路，以形成GPS有源天线的射频信道电路. 使用ADS模拟整个RF通道，将扫描频率范围设置为1.566〜1.586 GHz，步进0.01 MHz，带内波动如图8所示为1.1 dB，与带内波动基本相同图6中RF放大器单元的放大倍数. RF通道[17]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，插入损耗是组合器单元的两倍. 如图9所示，射频信道[18]的噪声系数为1.15 dB，比图7中射频放大单元的噪声系数大0.68 dB. 因此，可以从该信道看到仿真结果表明，RF通道增益，噪声系数，带内平坦度和带电路的具体设计. C2是隔直电容，通常在2 GHz以下为100 pF，在2 GHz以上为10 pF，L2用于调节输出端子的OIP3指数，L1，C1和L3用于匹配输入回波损耗.

C3，，C5和C6是用于电源的旁路电容器. 通常，选择大电容器和小电容器的组合[19]. R1是稳定电阻，通常为50欧姆. R3是用于电源分压的偏置电阻. R2是用于调节工作电流的备用电阻. 除了用于C6的0805贴片电容器以组件的包装还标准化为0402包装. 图11是增益模块ECG001F-G的电路设计图. C1和C2是隔直电容，选择56pF. R1是偏置电阻. 图7: RF放大器单元的噪声系数图8: GPS天线RF电路的带内波动图9: GPS天线RF电路-82的噪声系数用于调整放大器的工作电流. C3是旁路电容，为18 nF. L1是扼流电感，其值为39 nH. 除了R1具有较高的功率外，其他封装均选择为0805，其他成本均归为0603封装. 3结论本文提出了GPS天线射频电路的设计方法. 根据设计功能和指标，进行电路设计和理论计算，然后使用ADS软件对相位延迟，信号组合单元，射频放大器单元和整个射频通道进行仿真，并进行仿真. 结果进行比较分析. GPS有源天线的射频电路的理论计算增益为34.67 dB，仿真结果为32.4 dB，相差近2.27 dB.

噪声系数的理论计算值为0.92 dB，仿真结果为1.15，差异为0.23 dB. 噪声系数仿真和计算结果相对接近，但增益却大不相同. 增益差异很大的主要原因是，理论计算中未考虑设备端口回波损耗的影响. 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. 无论是理论计算还是电磁软件仿真，主要指标均达到设计要求，因此该设计方法可行，可用于GPS天线射频电路的实际设计中. 参考文献: [1]高阳，董树荣，王大emia. GPS天线技术及其发展[J]. 无线通信技术，2008（4）: 34-39. [2]何政，孟继东，上社. 贾志刚，于洪波. 一种基于GPS照明源的双基地雷达探测系统[J]. 电子设计工程，2015,23（21）: 32-34. [3]詹洁，孙桂新. 双频GPS载波相位的相对定位精度分析与评估[J]. 电子设计工程，2016，24（16）: 70-75. [4]余学辉，李吉林，尹杰. GPS接收机环路识别方法研究与性能分析[J]. 电子设计工程，2017，25（6）: 118-122. [5]王彼德. 电磁波极化及其应用[J]. 科学，1999，14（3）: 347-356. [6]毕娜娜，刘德喜.GPS并联放大器的设计[J]. 遥测与遥控，2014，35（6）: 29-37. [7]高伟，闫磊，徐少全，等. GPS天线相位中心偏差对GPS高度的影响及改正研究[J]. 仪器仪表学报，2007，28（9）: 2052-2057. [8]王铮，周义国，郭俊东. ，肖建华. 宽带低噪声放大器的ADS仿真与设计[J]. 集成电路设计，2010，14: 9-13. [9]刘畅，梁小新，严月鹏. 射频宽带低噪声放大器的设计[J]. 电子测量与仪器学报，2009: 196-202. [10]梁黎明，南靖昌，刘颖. 田建国. 基于ADS的射频低噪声放大器设计与仿真[J]. 计算机仿真，2009,26（11）: 352-355. [11]赵霞. 基于ADS的平衡低噪声放大器的设计[J]. 火力控制雷达技术，2009，38（2）: 68-71. [12]潘安，程浩，葛俊祥. X波段低噪声放大器的设计与仿真[J]. 现代雷达，2014，36（1）: 66-70. [13]丛密芳，南景昌，李九超. RFID低噪声放大器的设计与仿真[J]. 计算机仿真，2011，28（4）: 393-401. [14]王磊，胡永辉. 邓建国，彭建华. C波段卫星信号接收机低噪声放大器的设计[J]. 时频，2007，30（1）: 37-44. [15]刘峰，邵辉，李元超，等. 射频电路噪声系数测量方法研究[J]. 外国电子测量技术，2014gps有源天线电路，33（12）: 4-8. [16]李树冲，韩振宇，刘新宇，等. 射频模块中微带线的设计与实现[J]. 半导体技术，2005，30（2）: 51 -54. [17]郭国发，高阳浩，张开胜. 关键词: 射频识别，载波，特殊场合服务系统现代电子技术，2016（22）: 154-15 7. [18]沉小青，丁凤海，王志虎，等. 窄带低噪声系统噪声系数的测量[J]. 自动化与仪器仪表，2018（3）: 204-206. [19]童以刚，李宁. 新型石墨烯超级电容器的发展[J]. 西安工程学院学报，2016（3）: 333-339. 图10低噪声放大器MGA-684P8的电路设计图11增益模块ECG001F-G的电路设计王建平，GPS有源天线射频电路设计方法-83

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