CN104333334B - 卫星导航航空增强系统宽带低噪射频放大器和传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卫星导航航空增强系统的射频信号宽带低噪放大器和应用该放大器的卫星导航航空增强系统宽带低噪射频信号传输装置。放大器包括级联的第一级放大电路、第二级放大电路、第一级间匹配电路、带通滤波器、第二级间匹配电路和第三级放大电路。传输装置由射频信号放大器、光发射模块、光纤和光接收模块组成。它实现了1.1GHz‑1.7GHz的卫星导航全频段的低噪声接收，具有宽频带、低噪声、高线性、时延稳定性高、平坦度好等优点；解决了卫星导航航空增强系统的多台参考接收机的布置间距问题，实现了天线安装选址范围扩大，为参考接收机集中安装提供了条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽带低噪射频信号放大器和传输装置，尤其是一种卫星导航航空增强系统宽带低噪射频放大器和传输装置，属于卫星导航系统航空增强技术领域。
背景技术
卫星导航在航空中的应用逐步广泛，国家发布了相关的政策和法规，用于支持北斗和GPS等卫星导航系统的推广和应用。单独的卫星导航系统无法满足航空飞行器的精密进近要求，需要引入卫星导航地基增强系统。卫星导航地基增强系统正逐步成为航空飞行器精密进近的主要技术手段。
多频、多星座的卫星导航地基增强系统，对保障地形和气象条件复杂的高原山区机场和飞行密集的终端区及机场的运行安全，提高运行效率具有重要意义。
低噪声放大器的主要功能是将天线所接收到的射频信号进行低噪声放大，滤波后输出。整个接收系统的噪声将主要取决于放大器的噪声。
目前卫星导航信号接收的低噪声放大器的噪声系数通常为2dB。信号放大范围主要有两种模式，模式1：针对具体的信号频点，如GPS的L1频点或者北斗的B1频点；模式2：针对整个L频段。
对于多系统多频点的卫星导航信号，信号带宽相对单个频段而言较宽。如果低噪声放大器是窄带的,则每个频带需要单独放大，分路器的引入会增大噪声系数，使用宽带低噪声放大器可避免该问题。但信号带宽过宽则没有意义，反而增加设计实现难度。
根据此情况，针对卫星导航信号范围，专门设计了宽带低噪声放大器，噪声系数为0.5dB，信号范围1.1-1.7GHz。
卫星导航航空增强系统应用于飞行器精密进近时，需要多台参考接收机同时工作，且参考接收机的天线之间有距离要求，即相互间隔100米以上。
现有机场在建设时没有考虑参考接收机及其天线安装选址事宜。在机场现有建筑和电磁环境允许下，结合参考接收机的抗多径和电磁干扰等需求，多台参考接收机安装点选址分散，难以实现集中安置。这导致参考接收机与天线之间的电缆线过长，超出了模拟电信号传输距离。
虽然通过参考接收机与天线尽量靠近，采用传输参考接收机数据的方法可解决该问题。但参考接收机维护不方便，存在诸多问题，如需办理场面审批手续才能进入机场；且参考接收机安装在室外，工作环境恶劣，影响设备稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种卫星导航航空增强系统宽带低噪射频放大器传输装置，以利于实现卫星导航航空增强系统的参考接收机集中安装。
本发明所采取的技术方案是：
技术方案一：
一种卫星导航航空增强系统的射频信号放大器，包括级联的第一级放大电路、第二级放大电路、第一级间匹配电路、带通滤波器、第二级间匹配电路和第三级放大电路。
所述第一级放大电路由输入匹配电路、放大器和输出匹配电路组成；所述输入匹配电路由电容C1-C6、电阻R1-R2、电感L1组成；所述电阻R2一端接+5v电源，其另一端经依次所述电阻R1和电容C4接地；所述电容C6一端接所述电阻R1和R2之间的结点，其另一端接地；所述电容C5一端接所述电阻R1和电容C4之间的结点，其另一端接地；所述电感L1的一端接所述电阻R1和电容C4之间的结点，其另一端依次经电容C3和C1接天线送入的射频信号RFin；所述电容C2一端接所述电容C1和C3之间的结点，其另一端接地；所述输出匹配电路由电容C7-C10、电感L2和电阻R3组成；所述电容C7和C8并联在+5v电源和地之间，所述电感L2和电阻R3并联后，一端接+5v电源，其另一端依次经所述电容C9和C10接地；所述放大器由放大器芯片A1组成，其2脚接所述输入匹配电路中电容C3与电感L1间的结点，其3脚接所述输入匹配电路中电容C4与电感L1之间的结点；其7脚接所述电感L2和电容C9之间的结点；所述电容C9和C10之间的结点作为所述第一级放大电路的输出端。
所述第二级放大电路由电容C11-C14、电感L3、电阻R4和放大器芯片A2组成；所述电容C11一端接所述第一级放大电路的输出端，其另一端经所述电阻R4接地；所述放大器芯片A2的1脚经所述电感L3接+3.3v电源，其2脚和4脚接地，其3脚接所述电容C11和电阻R4之间的结点；所述电容C12和C13并联在+3.3v电源和地之间；所述电容C14一端接所述放大器芯片A2的1脚，其另一端作为所述第二级放大电路的输出端；所述第三级放大电路由电容C15-C18、电感L4、电阻R11和放大器芯片A3组成；结构与所述第二级放大电路相同。
所述第一级间匹配电路由电阻R5-R7组成，所述电阻R5一端接所述第二级放大电路的输出端，其另一端作为所述第一级间匹配电路的输出端；所述电阻R6接在所述第二级放大电路的输出端和地之间；所述电阻R7接在所述第一级间匹配电路的输出端和地之间；所述第二级间匹配电路由电阻R8-R10组成，结构与所述第一级间匹配电路相同。
所述的卫星导航航空增强系统宽带低噪射频放大器还包括电源模块；所述电源模块由+5v电源供电电路和+3.3v电源供电电路组成；所述+5v电源供电电路将+3.3v～+9v电压转换为+5v电压输出，为第一级放大电路提供+5v电源；所述+3.3v电源供电电路将所述+5v电源供电电路输出的+5v电压转换为+3.3v电压输出，为所述第二级放大电路和第三级放大电路提供电源。
所述+5v电源供电电路由电容C19-C24、电感L5-L6、电阻R12-R17、开关稳压器N1和二极管V1组成；所述开关稳压器N1的1脚接+5v电源，2脚经所述电容C22接起3脚，其3脚经所述电感接+5v电源，其4脚依次经所述电感L5和电容C19接地，其5脚经所述电阻R13接地，其6脚接地，其8脚经所述电阻R17接地，其9脚经所述电阻R14和C21接地，其10脚经所述电阻R16接地，所述电阻R12接在所述开关稳压器N1的4脚和5脚之间，所述电容C20接在接在所述开关稳压器N1的4脚和地之间，所述二极管V1的负极接所述开关稳压器N1的3脚，其正极接地，所述电阻R15接在所述开关稳压器N1的8脚和+5v电源之间，所述电容C23和C24并联在+5v电源和的之间；所述电感L5和电容C19之间的结点作为+5v电源供电电路的输入端，接+33v～+9v电压；所述开关稳压器N1的1脚作为+5v电源供电电路的输出端，输出+5v电压。
所述+3.3v电源供电电路由线性稳压器N2和电容C25-C28组成；所述性稳压器N2的1脚接+5v电源，2脚接地，3脚作为+3.3v电源供电电路的输出端，输出+3.3v电压；所述电容C25和C26并接在+5v电源和地之间，所述电容C27和C28并接在+3.3v电源和地之间。
技术方案二：
一种卫星导航航空增强系统宽带低噪射频信号传输装置，由级联的射频信号放大器、光发射模块、光纤和光接收模块组成；所述射频信号放大器为技术方案一所述的卫星导航航空增强系统宽带低噪射频放大器。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、实现了天线安装选址范围扩大，为参考接收机集中安装提供了条件。
2、本发明实现1.1GHz-1.7GHz的卫星导航全频段的低噪声接收，具有宽频带、低噪声、高线性、时延稳定性高、平坦度好等优点，满足了航空增强系统设备的卫星导航多模多频点需求。
3、级联放大器级间引入匹配衰减器，采用温补衰减器来弥补环境温度、直流偏置电压以及时间老化等因素对增益平坦度影响。
4、设计时选用宽频带器件，采用宽带输入与输出匹配网络，实现了宽频带内的低噪声系数。
5、低噪声器件采用二次稳压后供电，保证了较小的纹波，使之避免对噪声系数和低噪声放大器的稳定性产生影响。实现了远距离供电。
6、采用光发射终端模块，将模拟信号转换为光信号，经光纤进行远距离传输，到达目的地后，经光接收模块转换为电信号。采用模拟光传输技术，损耗小，抑制电磁干扰能力强。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例1的电路原理图；
图2是本发明的实施例2的原理方框图。
具体实施方式
实施例1
一种卫星导航航空增强系统的射频信号放大器，包括级联的第一级放大电路、第二级放大电路、第一级间匹配电路、带通滤波器、第二级间匹配电路和第三级放大电路。
所述第一级放大电路由输入匹配电路、放大器和输出匹配电路组成；所述输入匹配电路由电容C1-C6、电阻R1-R2、电感L1组成；所述电阻R2一端接+5v电源，其另一端经依次所述电阻R1和电容C4接地；所述电容C6一端接所述电阻R1和R2之间的结点，其另一端接地；所述电容C5一端接所述电阻R1和电容C4之间的结点，其另一端接地；所述电感L1的一端接所述电阻R1和电容C4之间的结点，其另一端依次经电容C3和C1接天线送入的射频信号RFin；所述电容C2一端接所述电容C1和C3之间的结点，其另一端接地；所述输出匹配电路由电容C7-C10、电感L2和电阻R3组成；所述电容C7和C8并联在+5v电源和地之间，所述电感L2和电阻R3并联后，一端接+5v电源，其另一端依次经所述电容C9和C10接地；所述放大器由放大器芯片A1组成，其2脚接所述输入匹配电路中电容C3与电感L1间的结点，其3脚接所述输入匹配电路中电容C4与电感L1之间的结点；其7脚接所述电感L2和电容C9之间的结点；所述电容C9和C10之间的结点作为所述第一级放大电路的输出端。第一级的输入匹配电路部分中，电容C1-C4和电感L1实现了最佳噪声匹配，电感L1和电容C4的作用有两个，一个是作为阻抗匹配电路的一部分，另一个功能是实现直流偏置端与射频输入之间的隔离。输出匹配电路将SKY67151-396LF的输出阻抗变换到50欧。
所述第二级放大电路由电容C11-C14、电感L3、电阻R4和放大器芯片A2组成；所述电容C11一端接所述第一级放大电路的输出端，其另一端经所述电阻R4接地；所述放大器芯片A2的1脚经所述电感L3接+3.3v电源，其2脚和4脚接地，其3脚接所述电容C11和电阻R4之间的结点；所述电容C12和C13并联在+3.3v电源和地之间；所述电容C14一端接所述放大器芯片A2的1脚，其另一端作为所述第二级放大电路的输出端；所述第三级放大电路由电容C15-C18、电感L4、电阻R11和放大器芯片A3组成；结构与所述第二级放大电路相同。电容C11、C14、C15、C18为隔直电容，电感L3、电容C12、C13，以及电感L4、电容C16、C17为直流偏置，调整电阻R4的值可以调节偏置电流10mA以实现较高增益，调整电阻R11的值可以调节偏置电流15mA以实现较高的P-1，以增大电路的线性度。
所述第一级间匹配电路由电阻R5-R7组成，所述电阻R5一端接所述第二级放大电路的输出端，其另一端作为所述第一级间匹配电路的输出端；所述电阻R6接在所述第二级放大电路的输出端和地之间；所述电阻R7接在所述第一级间匹配电路的输出端和地之间；所述第二级间匹配电路由电阻R8-R10组成，结构与所述第一级间匹配电路相同。使级间的电压驻波比改善，同时也具有调整电路增益的作用，弥补环境温度、直流偏置电压以及时间老化等因素对增益平坦度影响。
所述的卫星导航航空增强系统宽带低噪射频放大器还包括电源模块；所述电源模块由+5v电源供电电路和+3.3v电源供电电路组成；所述+5v电源供电电路将+3.3v～+9v电压转换为+5v电压输出，为第一级放大电路提供+5v电源；所述+3.3v电源供电电路将所述+5v电源供电电路输出的+5v电压转换为+3.3v电压输出，为所述第二级放大电路和第三级放大电路提供电源。
所述+5v电源供电电路由电容C19-C24、电感L5-L6、电阻R12-R17、开关稳压器N1和二极管V1组成；所述开关稳压器N1的1脚接+5v电源，2脚经所述电容C22接起3脚，其3脚经所述电感接+5v电源，其4脚依次经所述电感L5和电容C19接地，其5脚经所述电阻R13接地，其6脚接地，其8脚经所述电阻R17接地，其9脚经所述电阻R14和C21接地，其10脚经所述电阻R16接地，所述电阻R12接在所述开关稳压器N1的4脚和5脚之间，所述电容C20接在所述开关稳压器N1的4脚和地之间，所述二极管V1的负极接所述开关稳压器N1的3脚，其正极接地，所述电阻R15接在所述开关稳压器N1的8脚和+5v电源之间，所述电容C23和C24并联在+5v电源和的之间；所述电感L5和电容C19之间的结点作为+5v电源供电电路的输入端，接+33v～+9v电压；。所述开关稳压器N1的1脚作为+5v电源供电电路的输出端，输出+5v电压。
所述+3.3v电源供电电路由线性稳压器N2和电容C25-C28组成；所述性稳压器N2的1脚接+5v电源，2脚接地，3脚作为+3.3v电源供电电路的输出端，输出+3.3v电压；所述电容C25和C26并接在+5v电源和地之间，所述电容C27和C28并接在+3.3v电源和地之间。
卫星导航航空增强系统宽带低噪射频放大器由三级低噪声放大电路组成，第一级放大电路的放大芯片A1为SKYWORKS半匹配低噪声芯片SKY67151-396LF，第二级放大电路和第三级放大电路的放大芯片A2和A3都为SPF-5043，其噪声系数小于1dB，通过调节电阻R4的值可以使放大芯片A2工作于低电流、低噪声状态，通过调节电阻R11的值可以使放大芯片A3工作于高线性、低噪声状态。
第一级间匹配电路和第二级间匹配电路，用于弥补环境温度、直流偏置电压以及时间老化等因素对增益平坦度影响。
为克服远距离传输使得直流电压降低，卫星导航航空增强系统宽带低噪射频放大器引入电源电路，输入范围为+33V至+9V，+5v电源供电电路的开关稳压器N1为LT3972，可以支持宽压范围输入，LT3972将输入电压变到+5V。+3.3v电源供电电路的线性稳压器N2为TPS76333，将+5V转为+3.3V。得到的电压+5V和+3.3V给卫星导航航空增强系统宽带低噪射频放大器提供电源输入。
实施例2
一种卫星导航航空增强系统宽带低噪射频信号传输装置由级联的射频信号放大器、光发射模块、光纤和光接收模块组成；所述射频信号放大器为实施例1所述的卫星导航航空增强系统宽带低噪射频放大器，如图2所示。
卫星导航天线送来的射频信号RFin，送入卫星导航宽带射频信号放大器，电路输出端RFout接入到光发射模块，将射频信号转换成光信号，经过光纤传输后，由光接收模块将光信号转换成电信号C，通过SMA接口送出，给参考接收机使用。光纤的型号为GYTA53-4B1。光发射模块、光接收模块为北京锦坤科技有限公司的RFoF-2.4G-311Tx、RFoF-2.4G-311Rx。
卫星导航天线送来的射频信号RFin，送入卫星导航宽带射频信号放大器，电路输出端RFout接入到光发射模块，将射频信号转换成光信号，经过光纤传输后，由光接收模块将光信号转换成电信号C，通过SMA接口送出，给参考接收机使用。
Claims (6)
1.一种卫星导航航空增强系统的射频信号放大器，包括级联的第一级放大电路、第二级放大电路、第一级间匹配电路、带通滤波器、第二级间匹配电路和第三级放大电路；其特征在于：还包括电源模块；所述电源模块由+5v电源供电电路和+3.3v电源供电电路组成；所述+5v电源供电电路将+3.3v～+9v电压转换为+5v电压输出，为第一级放大电路提供+5v电源；所述+3.3v电源供电电路将所述+5v电源供电电路输出的+5v电压转换为+3.3v电压输出，为所述第二级放大电路和第三级放大电路提供电源；所述+5v电源供电电路由电容C19-C24、电感L5-L6、电阻R12-R17、开关稳压器N1和二极管V1组成；所述开关稳压器N1的1脚接+5v电源，2脚经所述电容C22接起3脚，其3脚经所述电感接+5v电源，其4脚依次经所述电感L5和电容C19接地，其5脚经所述电阻R13接地，其6脚接地，其8脚经所述电阻R17接地，其9脚经所述电阻R14和C21接地，其10脚经所述电阻R16接地，所述电阻R12接在所述开关稳压器N1的4脚和5脚之间，所述电容C20接在所述开关稳压器N1的4脚和地之间，所述二极管V1的负极接所述开关稳压器N1的3脚，其正极接地，所述电阻R15接在所述开关稳压器N1的8脚和+5v电源之间，所述电容C23和C24并联在+5v电源和的之间；所述电感L5和电容C19之间的结点作为+5v电源供电电路的输入端，接+33v～+9v电压；所述开关稳压器N1的1脚作为+5v电源供电电路的输出端，输出+5v电压。
2.根据权利要求1所述的一种卫星导航航空增强系统的射频信号放大器，其特征在于：所述第一级放大电路由输入匹配电路、放大器和输出匹配电路组成；所述输入匹配电路由电容C1-C6、电阻R1-R2、电感L1组成；所述电阻R2一端接+5v电源，其另一端经依次所述电阻R1和电容C4接地；所述电容C6一端接所述电阻R1和R2之间的结点，其另一端接地；所述电容C5一端接所述电阻R1和电容C4之间的结点，其另一端接地；所述电感L1的一端接所述电阻R1和电容C4之间的结点，其另一端依次经电容C3和C1接天线送入的射频信号RFin；所述电容C2一端接所述电容C1和C3之间的结点，其另一端接地；所述输出匹配电路由电容C7-C10、电感L2和电阻R3组成；所述电容C7和C8并联在+5v电源和地之间，所述电感L2和电阻R3并联后，一端接+5v电源，其另一端依次经所述电容C9和C10接地；所述放大器由放大器芯片A1组成，其2脚接所述输入匹配电路中电容C3与电感L1间的结点，其3脚接所述输入匹配电路中电容C4与电感L1之间的结点；其7脚接所述电感L2和电容C9之间的结点；所述电容C9和C10之间的结点作为所述第一级放大电路的输出端。
3.根据权利要求1所述的一种卫星导航航空增强系统的射频信号放大器，其特征在于：所述第二级放大电路由电容C11-C14、电感L3、电阻R4和放大器芯片A2组成；所述电容C11一端接所述第一级放大电路的输出端，其另一端经所述电阻R4接地；所述放大器芯片A2的1脚经所述电感L3接+3.3v电源，其2脚和4脚接地，其3脚接所述电容C11和电阻R4之间的结点；所述电容C12和C13并联在+3.3v电源和地之间；所述电容C14一端接所述放大器芯片A2的1脚，其另一端作为所述第二级放大电路的输出端；所述第三级放大电路由电容C15-C18、电感L4、电阻R11和放大器芯片A3组成；结构与所述第二级放大电路相同。
4.根据权利要求1所述的一种卫星导航航空增强系统的射频信号放大器，其特征在于：所述第一级间匹配电路由电阻R5-R7组成，所述电阻R5一端接所述第二级放大电路的输出端，其另一端作为所述第一级间匹配电路的输出端；所述电阻R6接在所述第二级放大电路的输出端和地之间；所述电阻R7接在所述第一级间匹配电路的输出端和地之间；所述第二级间匹配电路由电阻R8-R10组成，结构与所述第一级间匹配电路相同。
5.根据权利要求1所述的一种卫星导航航空增强系统的射频信号放大器，其特征在于：所述+3.3v电源供电电路由线性稳压器N2和电容C25-C28组成；所述性稳压器N2的1脚接+5v电源，2脚接地，3脚作为+3.3v电源供电电路的输出端，输出+3.3v电压；所述电容C25和C26并接在+5v电源和地之间，所述电容C27和C28并接在+3.3v电源和地之间。
6.一种卫星导航航空增强系统宽带低噪射频信号传输装置，其特征在于：由级联的射频信号放大器、光发射模块、光纤和光接收模块组成；所述射频信号放大器为权利要求1所述的卫星导航航空增强系统的射频信号放大器。
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