一種小型化北斗二代衛星導航系統收發模塊的研制

吳　為，賴生建，鄧建華，白志剛，陶　煒，吳凌華

（1.電子科技大學物理電子學院，四川成都610054；2.中國測試技術研究院，四川成都610021；3.空軍駐川西地區軍代室，四川成都610041；4.中國人民解放軍駐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星導航系統收發模塊的研制

吳為1，賴生建1，鄧建華2，白志剛3，陶煒4，吳凌華5

（1.電子科技大學物理電子學院，四川成都610054；2.中國測試技術研究院，四川成都610021；3.空軍駐川西地區軍代室，四川成都610041；4.中國人民解放軍駐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星導航系統B3授權頻段的小型化射頻前端收發模塊。該模塊采用多層板技術（printed circuit board，PCB），兩路接收通道和一路發射通道，通過優化設計，設計小型化的收發模塊，模塊實際尺寸僅為50mm×15mm×7.5mm。該收發模塊在46.52MHz頻率和100kHz頻偏下，測試的相位噪聲結果為105dBc/Hz，收發性能符合指標要求。該射頻前端收發模塊已應用于某測控系統中，并且此模塊也可以廣泛應用于車載、移動定位等衛星導航通信與測試中。

關鍵詞：北斗二代；收發模塊；相位噪聲；小型化

0　引言

全球衛星導航系統在現代通信領域中發揮著越來越廣泛的作用。比如，美國的GPS系統和俄羅斯的GLONASS系統已經覆蓋全球并且有許多相對應的研究成果。我國北斗衛星系統已經覆蓋亞太地區，但是還處于發展階段，系統的性能、接收機技術、信號調制還有很大的提升空間，在全球衛星導航系統中也面臨激烈的技術競爭[1]。衛星導航通信系統的通信收發機要求小型化、抗干擾能力強，已是當前通信系統發展的必然要求。國內對于北斗一代衛星導航系統的射頻前端收發模塊小型化、低噪聲的研究已經取得了一定的成果。但是隨著整個北斗系統的建設，目前正在向北斗二代系統發展。

本文針對我國北斗二代衛星導航的定位測控系統，研制一款在B3授權服務頻段的小型化射頻前端收發模塊，該模塊包含了兩路接收通道和一路發射通道。

1　方案設計

衛星導航系統中，通信模塊由天線、收發模塊和基帶處理模塊構成，天線用于發射信號或者接收衛星信號；收發模塊用于上下變頻以適用天線發射和基帶處理；基帶處理模塊用于信號處理。收發模塊是天線與基帶處理模塊的橋梁，對通信系統起著重要的作用。設計中，需要根據不同的用途和指標做出相應的方案選擇。本設計主要針對北斗二代的移動衛星通信與定位，從指標、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。整個鏈路設計充分利用多層板PCB的各層空間走線，并且兼顧了信號完整性，采用一次下變頻技術。使得整個模塊設計更為方便的嵌入整個測控系統。整個模塊電路布局如圖1所示。

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

一路發射通道直接將輸入的中頻信號與本振信號混頻，經過濾波器和功率放大器輸出。由于整個系統的天線在發射端口集成了高增益放大器，因此該收發模塊的發射通道的末級放大器增益不用太高，還可以避免自激振蕩、也能減小模塊發熱量[2-3]。

2　電路設計

收發模塊要求小型化，在電路設計和布局布線上，需要充分考慮各通道信號相互之間的干擾、電源的低頻串擾、晶振信號泄露等引起的輸出信號雜波抑制。因此，在設計走線時，第1層和第3層主要走接收通道的信號線；第2層和第4層接地；第6層主要走鎖相環電路和發射通道的信號線；第5層主要為地線，同時有少量的電源走線。PCB布局結構如圖2所示。

圖1　收發模塊整體布局結構

圖2　PCB走線布局結構

整個電路板采用雙面表貼器件，通道、鎖相環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，而且對收發通道模塊、鎖相環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，同時也利用了屏蔽罩散熱[4]。

2.1鎖相環電路設計

鎖相環電路為整個收發模塊提供變頻的本振信號，設計中采用ADI公司的ADF4351數字鎖相環芯片，該芯片內部集成了鑒相器和壓控振蕩器，可以實現小數分頻和整數分頻，通過內部寄存器控制。因此，可以選擇不同頻率和性能的晶振，采用不同分頻方式，為減小鎖相環輸出本振信號相位噪聲提供多種可選擇的方案。

鎖相環輸出信號的噪聲由參考晶振、鑒相器、環路濾波器、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。因此，鎖相環輸出噪聲需要通過參考晶振和環路濾濾波器參數來改善。鎖相環帶內噪聲為

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。

環路濾波器的設計又與整個鎖相環的相位裕量、增益裕量和環路帶寬有關，直接影響整個環路的穩定性、鎖定時間和近端噪聲[5-7]。通過ADIsimPLL軟件仿真設計，并且綜合考慮了實際工程中可以獲得的電阻和電容值，得到最后鎖相環輸出的相位噪聲仿真結果如圖3所示，可以看出，輸出的本振信號的相位噪聲為-94 dBc@100 Hz、-103 dBc@1 kHz、-105 dBc@10kHz、-114 dBc@100 kHz。從仿真結果來看指標都比較理想。

2.2收發通道鏈路設計

整個收發鏈路，通過使用ADS2011（advanced design system）軟件進行射頻系統仿真。

發射鏈路中，主要有仿真、分析鏈路的諧波和雜散。由于器件的非線性、小型化射頻信號輻射、鏈路級間不匹配等因素，發射鏈路信號都有可能存在不同程度的干擾。因此，發射鏈路設計時，需要注意以下3點：1）加入合適性能和尺寸的濾波器；2）通過信號完整性分析，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　鎖相環噪聲仿真結果

圖4　接收通道相位噪聲仿真

接收鏈路中，對于46.52 MHz的中頻信號而言，采用一般的濾波器尺寸較大，不利于小型化。因此，選用針對北斗二代接收機設計的中頻聲表帶通濾波器以節省空間尺寸。該濾波器的帶外抑制度＞40dBc，在二次諧波處沒有寄生通帶等優點，但是其插入損耗一般在20dB以上，綜合考慮整個鏈路的增益和噪聲等指標后，在接收通道的第一級選用噪聲系數為0.6dB的兩級集成低噪聲放大器芯片。接收通道的相位噪聲通過在ADS中設置鏈路的本振信號的相位噪聲、以及所選器件的噪聲系數，從而進行仿真。最終鏈路仿真結果為-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　實物與測試

整個收發模塊采用FR4材料的6層PCB板加工而成，實物圖如圖5所示。

圖5　收發模塊實物圖

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

實物測試時，收發模塊通過信號源（安捷倫E4448A）輸出所需要的中頻信號或者射頻信號，電源對收發模塊進行供電，頻譜儀（安捷倫E8257D）對輸出的信號進行測試分析。

發射通道的主要指標有信號的雜散抑制（＜-50 dBc）、載波抑制（＜-45 dBc），輸出的射頻信號在頻譜分析儀上面測試的結果如表1所示。

表1　發射通道測試結果

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混頻產生，而近端的雜波抑制度均大于50dBc。測試結果滿足設計指標要求。

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

表2　接收通道測試結果

從表2看出，由于器件之間的微小差異，導致其測試結果也存在著不同。兩個通道都在不同程度上出現了電源帶來的低頻串擾，但是抑制度均在-60dBc以下，也滿足設計指標。

4　結束語

本文研制一款小型化的北斗二代衛星導航系統在B3授權頻段應用的射頻前端收發模塊，整個模塊的尺寸相對于以往同類模塊的65mm×55mm×16mm[9]，縮小到50mm×10mm×7.5mm。該模塊嵌入整個測控系統中，在有干擾的情況下，也能夠實現定位測試，達到了設計指標。該北斗收發模塊具有尺寸小、成本低，相位噪聲好等特點，在衛星定位系統以及相應的測試平臺中具有廣泛地應用價值。

參考文獻

[1]楊元喜.北斗衛星導航系統的進展、貢獻與挑戰[J].測繪學報，2010，39（1）：1-6.

[2]蔡竟業，夏蓉，劉鐮斧. Ka波段全相參雷達收發射頻前端系統組件研制[J].電子科技大學學報，2009，38（5）：629-633.

[3]李桂萍，徐軍，羅慎獨.毫米波高增益大功率收發組件研制[J].電子科技大學學報，2008，37（2）：248-250.

[4] KA F C，CUBILLO J R. Analysis of signal and power/ ground pin assignment in multi-layer PCB and its im pact on signal integrity and crosstalk[J]. EPTC，2013：789 -792.

[5]楊遠望，蔡竟業，任威. X～Ku波段寬覆蓋捷變頻頻率合成器研制[J].電子科技大學學報，2007，36（4）：709-712.

[6]市川裕一.高頻電路設計與制作[M].北京：科學出版社，2011：245-255.

[7]李振榮，莊亦琪，龍強.具有高線性調諧特性的1.2 GHz CMOS頻率綜合器[J].電子科技大學學報，2012，41（6）：853-858.

[8]朱正立.基于LTCC技術的L波段低相噪頻率源小型化設計[D].成都：電子科技大學，2012.

[9]王江濤，徐鳴.北斗射頻一體機模塊設計[J].微波學報，2010（S1）：238-241.

（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

作者簡介：吳為（1990-），男，碩士研究生，專業方向為微波射頻電路與系統。

基金項目：2013年度中央高校基本科研業務費（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

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）02-0071-04