CN102623806A

CN102623806A - 一种高稳定性、低噪声的gps有源天线

Info

Publication number: CN102623806A
Application number: CN2011102627150A
Authority: CN
Inventors: 段炼; 甘业兵; 钱敏; 马成炎
Original assignee: JIAXING LIANXING MICROELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: Hangzhou ruimeng Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2031-09-07
Also published as: CN102623806B

Abstract

本发明属于射频通信技术领域，提出一种高稳定性、低噪声的GPS有源天线，用于解决现有技术的GPS有源天线采用分立元件，存在的不易小型化、成本高的问题。高稳定性、低噪声的GPS有源天线的电路构成包括：两个低噪声放大器，一个射频带通滤波器，一个低噪声的LDO和基准源以及一个微带贴片天线。本发明采用集成技术将包括低噪声放大器、基准源、低噪声LDO的模块集成于低噪声放大器芯片，采用带通滤波器及少量外围电路组成整个GPS有源天线，减小了有源天线的面积，节约了成本，降低了功耗，提高了可靠性、稳定性。本发明的GPS有源天线易于满足小型化要求，尤其适合于与手机、PDA、车载导航仪等移动通信产品功能模块集成在一个系统中。

Description

一种高稳定性、低噪声的GPS有源天线

背景技术

GPS卫星导航系统能提供位置、速度及时间的信息，可用于对各种目标进行定位、导航及监管，它具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性等特点，在信息、交通、安全防卫、农业、渔业、防灾救灾、环境监测等建设方面具有其他手段无法替代的重要作用，其发展前景十分广阔，近年来越来越受到人们的重视。

GPS芯片或芯片组的小型化、高精度、低功耗等技术进展，有力的推动GPS卫星导航系统在数码消费市场的应用和拓展，出现了基于PDA、手机、数码播放器等平台的GPS导航定位设备。但是这些实现GPS导航定位系统的应用设备对接收灵敏度要求较高，所以常常还需要在GPS射频前端芯片前面再加一级GPS有源天线，以提高系统接收灵敏度。

传统GPS有源天线的构成框图如图1所示。已有的典型技术方案GPS有源天线模块，是由微带贴片天线101，分立的已封装的晶体管103、103用作低噪放大器，射频带通滤波器104，与必要的偏置电路105安装在同一块印刷电路板上，晶体管102与晶体管103级联，带通滤波器104置于晶体管102与晶体管103之间。实际上，级联的晶体管放大器可为两级或三级，带通滤波器可置于级联的晶体管之间或之后。

已有技术中国专利号200620024687.3 ，名称为“一种高可靠性GPS有源天线模块”专利，以及现有技术传统的有源天线电路，都存在以下缺点：第一，有源天线电路采用分立元件搭成，还需若干偏置和滤波的贴片电阻电容等元件，故占用印刷电路板的面积大；第二，用做低噪声放大器的晶体管元件，为达到低噪声性能而采用特殊工艺制成，成本较高，从而抬高了整个有源天线的成本；第三，由于是采用分立元件，元件之间的连线相对较长，从而使有源天线接收的信号在线路中容易受到干扰，稳定性较差；第四，由于元器件较多，采用结构复杂的电连接器实现连接，安装较不方便；第五，虽然有源天线可工作于2-5V电压，但是在工作电压升高时，有源天线消耗的电流也会随之增加，可达十几个毫安。

发明内容

本发明属于射频通信技术领域，涉及一种有源天线，特别是一种小型的、低成本的GPS有源天线。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有传统技术的有源天线的以上缺陷，提供一种高稳定性、低噪声的GPS有源天线，本发明采用集成电路技术，将低噪声放大器、基准源、低噪声LDO集成于一个芯片中，占用芯片面积小，且采用普通工艺，成本相对分立的低噪声晶体管要低。片内低噪声放大器电路的偏置由基准源提供，并且容易添加滤波电容，相对于已有技术有源天线方案，省去大部分外部元件，缩小印刷电路板所需面积，降低制作电路工艺繁琐程度。片内电路的电源电压由低噪声LDO提供，低噪声LDO输入电压范围2 -5V(±10%)，而给片内电路提供稳定的1.8V输出，功耗不随工作电压变化而升高，始终维持在较低功耗。另外，本发明的有源天线电路集成在一块芯片，电路内部连线极短，受外部电磁环境抗干扰较小，优化设置微带贴片天线馈电点的位置，比传统技术有源天线的稳定性和可靠性更高。

本发明的上述目的是通过下面的技术方案来实现：

一种高稳定性、低噪声的GPS有源天线，其在于高稳定性、低噪声的GPS有源天线简称GPS有源天线的电路构成包括：

两个低噪声放大器：第一级低噪声放大器和第二级低噪声放大器；

一个射频带通滤波器；

一个低噪声的低压差线性调节器简称低噪声LDO和基准源；以及

一个微带贴片天线；

微带贴片天线的馈电点连接第一级低噪声放大器的输入端，第一级低噪声放大器的输出端连接射频带通滤波器输入端；射频带通滤波器的输出端连接第二级低噪声放大器的输入端；低噪声的基准源连接两个低噪声放大器的偏置端，第二级低噪声放大器的输出端为GPS有源天线的输出端。

所述的GPS有源天线，其在于所述的两个低噪声放大器以及一个低噪声的基准源集成于同一个低噪声放大模块芯片内；其中：

第一级低噪声放大器、射频带通滤波器和第二级低噪声放大器依次串联连接，实现增益级联和带通滤波，用以提高低噪声放大模块的增益和降低输出信号的噪声，实现低噪声性能；降低输送到后级信号的噪声，为减小后级的噪声和实现系统低噪声性能作出有益贡献。

基准源分别连接两个低噪声放大器的偏置端，为两个低噪声放大器提供偏置电流。

所述的GPS有源天线，其在于所述的低噪声的基准源由低噪声LDO为基准源提供固定电源电压1.8V，用于基准源为两个低噪声放大器的偏置电路提供固定的偏置电流；

低噪声LDO与基准源串联连接，低噪声LDO连接电源，低噪声LDO输出端连接基准源和两个低噪声放大器的电源端，用于提供电源电压1.8V，使基准源和两个低噪声放大器的功耗不随1.8-5.5V电源的电压变化。

所述的GPS有源天线，其在于所述的射频带通滤波器为无源器件带通滤波器，射频带通滤波器的电路结构是声表面滤波器；声表面滤波器构成的射频带通滤波器均应具有高品质特性：中心频率为1575.42MHz，带宽为2.046MHz，插入损耗小于1.5dB，较高品质因子的滤波器通带±40MHz的带外信号衰减优于40dB。

所述射频带通滤波器的声表面滤波器为高稳定性的集成元件，声表面滤波器贴片安装在有源天线的印制线路板上；声表面滤波器的输入接到第一级低噪声放大器的输出，声表面滤波器的输出接到第二级低噪声放大器的输入，声表面滤波器的输入输出阻抗均为50欧姆，与低噪声放大器的阻抗匹配，使输出到后级的信号功率最大化。

所述的GPS有源天线，其在于所述的微带贴片天线与低噪声放大器输入端相连接，微带贴片天线由确定形状的金属贴片置于接地平面上一层的介质基片表面构成；

介质基片介电常数的取值范围为30~50，微带贴片天线尺寸优化减小，使天线工作频率在1575.42MHz左右，优化设置微带贴片天线馈电点的位置，使其输入阻抗为50Ω；

微带贴片天线的导体薄片贴在微带贴片天线的介质基片上，微带贴片天线的接地平面粘贴在与微带贴片天线的介质基片平面尺寸相同的、有源天线印刷电路板背板的镀金覆盖铜箔层，用于实现高稳定、低噪声的连接结构特征。

所述的GPS有源天线，其在于所述的低噪声放大器芯片为CMOS或Bipolar或BiCMOS普通工艺的集成电路，节约了成本，工艺性能稳定。

所述的GPS有源天线，其在于所述的确定形状的金属贴片，其金属贴片的形状包括矩形、方形、圆形及其多种组合形状，金属贴片的材质为铜、银或金，由计算机仿真确定最优化的尺寸以及馈电点的位置，使天线的输出阻抗为50欧姆。

微带贴片天线的性能参数与所用的介质基片的介电常数，介质的尺寸和形状密切相关，同时与金属贴片的形状、尺寸和材质馈电点位置也相关，微带贴片天线的金属贴片的形状、尺寸、馈电点位置以及介质基片的介电常数、尺寸和形状，通常经设计计算和模拟仿真实验确定。

本发明实质性的效果：

1、集成于一个芯片的低噪声放大器和带通滤波器以及少量外围电路组成整个GPS有源天线，节约成本，易于小型化，减小有源天线的芯片面积。

2、两个低噪声放大器以及一个基准源集成于同一个低噪声放大模块芯片内，电路工作状态不受外部干扰影响，而且芯片内电路连线极短，避免了干扰信号通过连线串扰的情况，整个有源天线具有高稳定性。

3、片内电路由低噪声LDO提供电源电压，本发明GPS有源天线呈现低噪声和低功耗的特性。

4、GPS有源天线的低噪声放大器芯片采用普通工艺集成，节约成本，工艺性能稳定。

5、适合于与手机、PDA、车载导航仪等移动通信产品功能模块集成在一个系统芯片。

附图说明

图1 为传统的GPS有源天线的构成框图。

图中：101—微带贴片天线、102/103—分立的低噪声晶体管、104—射频带通滤波器、105—偏置及滤波电路。

图2 为本发明的GPS有源天线构成框图；

图中：201—低噪声放大器芯片、202—射频带通滤波器，203—微带贴片天线。

图3 为本发明实施例的高稳定性、低噪声的GPS有源天线构成电原理框图；

图中：3—GPS有源天线、31—低噪声放大器芯片、311—第一低噪声放大器、312—第二低噪声放大器、313—低噪声LDO、314—基准源、32—射频带通滤波器、33—微带贴片天线、34—输入匹配网路、35—输出匹配网路。

图4a 为本发明实施例的高稳定性、低噪声的GPS有源天线的安装结构主视图；

图4b为本发明实施例的新型GPS有源天线的安装结构左视图；

图4c为本发明实施例的新型GPS有源天线的安装结构右视图；

图4a ～图4c中：401—GPS有源天线模块印刷电路板、402—微带贴片天线模块、403—微带贴片天线的介质基片、404—微带贴片天线、405—微带贴片天线馈电点、406—接地平面导体薄片、407—印刷电路板背板、411—天线接入点、412—输入阻抗匹配网络芯片、413—低噪声放大器芯片、414—射频带通滤波器芯片、415—输出阻抗匹配网络芯片、416—电源连接点。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

图2是采用本发明的新型GPS有源天线构成框图。该GPS有源天线由低噪声放大器芯片201、射频带通滤波器202、微带贴片天线203构成。GPS卫星信号由微带贴片天线203接收，输入低噪声放大器芯片201和射频带通滤波器202输出。

图3给出本发明的新型GPS有源天线构成的电原理框图。主要表明了低噪声放大器芯片的内部结构：由外部输入2-5(±10%)V的电压，进入芯片内部的LDO 303，LDO产生1.8V的稳压输出，经过芯片管脚引出，用于给第一级低噪放大器301、第二级低噪放大器302、基准源304提供稳定的电源电压。GPS卫星信号经微带贴片天线203接收，经过输入阻抗匹配网络305，进入低噪放大器芯片201内部，经过第一级低噪放大器301放大后，经芯片管脚引出，通过射频带通滤波器202滤波之后，再进入芯片内，经第二级低噪放大器302放大后，输出芯片，经过输出阻抗匹配网络306，提供给后级的射频前端电路。

图4a给出本发明实施例的高稳定性、低噪声的GPS有源天线的安装结构主视图。GPS有源天线由GPS有源天线模块印刷电路板401和微带贴片天线模块402构成。微带贴片天线模块402包括微带贴片天线的介质基片403、微带贴片天线的馈电点405和微带贴片天线的接地平面导体薄片406构成件。微带贴片天线404是以403为介质基片并以406为接地平面导体薄片，微带贴片天线404以405为其馈电点，构成一体的微带贴片天线模块402。微带贴片天线模块402与GPS有源天线模块印刷电路板401经一体化处理成为一整件，微带贴片天线馈电点405与天线接入端411是通过电路板上过孔相连接。

图4b为图4a实施例GPS有源天线的一体化安装结构的左视图。本实施例采用的微带贴片天线模块包括微带贴片天线的介质基片403、微带贴片天线的导体薄片404、微带贴片天线的馈电点405和微带贴片天线的接地平面导体薄片406。微带贴片天线的导体薄片404是贴在微带贴片天线的介质基片403上面，微带贴片天线的接地平面导体薄片406与微带贴片天线的介质基片403的平面外尺寸相同，微带贴片天线的介质基片403粘贴在微带贴片天线的接地平面导体薄片406上面。微带贴片天线的性能参数与所使用介质基片403的介电常数、介质的尺寸和形状密切相关，同时与导体薄片404的形状、尺寸和材质相关。馈电点405的位置决定微带贴片天线的输出阻抗。根据实施的需要，可以选用不同材质的基片，主要是介质的介电常数，为减小介质片的尺寸，可选用介电常数较大的材料。微带贴片天线的接地平面导体薄片的形状有方形、矩形等，视不同需要来选择。

本发明实施例中，微带贴片天线的接地平面导体薄片406采用简单的方形铜薄片，其尺寸是宽为18mm，长为18mm，厚为0.5mm。本实施例微带贴片天线的介质基片403的介电常数取值为40，馈电点405位置于中心偏下，设计使其输出阻抗为50欧姆。

图4c为图4a实施例GPS有源天线的一体化安装结构的右视图，所见到的是GPS有源天线模块印刷电路板401的另一面，表面覆盖薄层铜箔的印刷电路板，印刷电路板上贴片安装输入阻抗匹配网络芯片412，低噪声放大器芯片413，射频带通滤波器芯片414，输出阻抗匹配网络芯片415，还有天线接入点411和电源连接点416。本实施例的微带贴片天线的接地平面导体薄片406是用上述印刷电路板401背板覆盖的薄层铜箔，为提高接收GPS信号效果，对接地平面导体薄片406的薄层铜箔采用镀金处理。

微带贴片天线介质基片403与印刷电路板背板的接地平面导体薄片406的薄层铜箔紧贴安装。微带贴片天线模块以接地平面导体薄片406为天线的接地面，安装时，接地平面导体薄片406与印刷电路板背板407紧密相贴，而接地平面导电薄片406通过过孔与印刷电路板背板407的接地面相连，并作为天线及其他所有电路的接地平面。GPS有源天线模块印刷电路板401上的天线接入点411与输入阻抗匹配网络芯片412、低噪放大器芯片413和输出阻抗匹配网络芯片415依次通过印制线连接，射频带通滤波器即声表面滤波器芯片414通过印制线与低噪放大器芯片413相连。

综上所述，本发明的新型的GPS有源天线，将传统有源天线中的低噪声放大器、偏置等电路集成到一个芯片中，并加入了用于稳定电源电压的低噪声LDO，可以节省电路的分立元件，有效地减小印刷电路板面积，控制了成本，节约了功耗，降低了制作复杂程度，减小了信号受干扰的程度从而给后级的射频前端电路提供更好的信号质量。

本领域技术人员理解本发明的技术方案后，在不背离本发明广义范围的前提下，可以对上述实施例做出若干改动。因而，本发明并不仅限于所公开的特定实施例。其范围应当涵盖所附权利要求书限定的本发明核心及保护范围内的所有变化。

Claims

1. 一种高稳定性、低噪声的GPS有源天线，其特征在于：高稳定性、低噪声的GPS有源天线简称GPS有源天线的电路构成包括：

一个射频带通滤波器；

一个微带贴片天线；

2.根据权利要求1所述的GPS有源天线，其特征在于：所述的两个低噪声放大器以及一个低噪声的基准源集成于同一个低噪声放大模块芯片内；其中：

第一级低噪声放大器、射频带通滤波器和第二级低噪声放大器依次串联连接，实现增益级联和带通滤波，用以提高低噪声放大模块的增益和降低输出信号的噪声，实现低噪声性能；

两级低噪声放大器的输入阻抗和输出阻抗均为50欧姆，实现和射频带通滤波器的阻抗匹配，获得最佳信号功率的传输；

3.根据权利要求1所述的GPS有源天线，其特征在于：所述的低噪声的基准源由低噪声LDO为基准源提供固定电源电压1.8V，用于基准源为两个低噪声放大器的偏置电路提供固定的偏置电流；

4.根据权利要求1所述的GPS有源天线，其特征在于：所述的射频带通滤波器为无源器件带通滤波器，射频带通滤波器的电路结构是声表面滤波器；声表面滤波器构成的射频带通滤波器均应具有高品质特性：中心频率为1575.42MHz，带宽为2.046MHz，插入损耗小于1.5dB，较高品质因子的滤波器通带±40MHz的带外信号衰减优于40dB。

5.根据权利要求4所述的GPS有源天线，其特征在于：所述射频带通滤波器的声表面滤波器为高稳定性的集成元件，声表面滤波器贴片安装在有源天线的印制线路板上；声表面滤波器的输入接到第一级低噪声放大器的输出，声表面滤波器的输出接到第二级低噪声放大器的输入，声表面滤波器的输入输出阻抗均为50欧姆，与低噪声放大器的阻抗匹配，使输出到后级的信号功率最大化。

6.根据权利要求1所述的GPS有源天线，其特征在于：所述的微带贴片天线与低噪声放大器输入端相连接，微带贴片天线由确定形状的金属贴片置于接地平面上一层的介质基片表面构成；

7.根据权利要求7所述的GPS有源天线，其特征在于：所述的确定形状的金属贴片，其金属贴片的形状包括矩形、方形、圆形及其多种组合形状，金属贴片的材质为铜、银或金，由计算机仿真确定最优化的尺寸以及馈电点的位置，使天线的输出阻抗为50欧姆。

8.根据权利要求1-8所述的GPS有源天线，其特征在于：所述的低噪声放大器芯片为CMOS或Bipolar或BiCMOS普通工艺的集成电路，节约了成本，工艺性能稳定。