CN104682883A - 北斗导航系统低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路 - Google Patents

Abstract

一种北斗导航系统低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路，它包括设置在同一接收系统中的超宽带低噪声放大电路和双通带带通平衡滤波电路，其中，超宽带低噪声放大电路同时对北斗/GPS 卫星信号进行低噪声放大；双通带带通平衡滤波电路对北斗/GPS 卫星信号频段外的干扰信号进行抑制；经过低噪声放大和滤波的北斗/GPS 卫星信号进入双频带增益连续调节电路，通过双频带增益连续可调电路，使放大器的增益连续可变，确保北斗信号和 GPS 信号的功率电平满足接收机的要求；经过双频带增益连续调节电路的北斗/GPS 卫星信号进入频段增益比例调节电路，在频段增益比例调节电路中，分别调节GPS 频段和北斗频段的增益斜率；经过频段增益比例调节电路的北斗/GPS 卫星信号进入宽频带驱动放大电路进行驱动放大。

Description

北斗导航系统低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路

技术领域

本发明涉及一种低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路，尤其适用于兼容GPS与北斗一代卫星信号的低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路。

背景技术

北斗/GPS 主备结合的工作模式是目前我国卫星导航领域中常用的应用模式。由于北斗和 GPS 卫星导航系统均是通过卫星发射信号，到达地球的信号相对较弱，同时由于卫星仰角的不同、以及受树木、建筑物等的遮挡，到达地面的信号强度会更低。这为卫星导航系统的应用带来了一定的困难。

目前市场上现有的低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路有单北斗低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路，单 GPS 低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路，还没有出现一种能同时兼容北斗和 GPS 卫星信号放大，单端口输入、单端口输出的低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路。

发明内容

为了解决北斗导航系统接收机不能共用低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路，长馈线接收不能共用一根馈线的问题，本发明提供了一种将北斗低噪放和 GPS 低噪放合二为一，单端口输入，单端口输出的北斗导航系统低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种北斗导航系统低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路，它包括设置在同一接收系统中的超宽带低噪声放大电路和双通带带通平衡滤波电路，其中，所述的超宽带低噪声放大电路同时对北斗/GPS 卫星信号进行低噪声放大；所述的双通带带通平衡滤波电路对北斗/GPS 卫星信号频段外的干扰信号进行抑制；经过低噪声放大和滤波的北斗/GPS 卫星信号进入双频带增益连续调节电路，通过双频带增益连续可调电路，使放大器的增益连续可变，确保北斗信号和GPS 信号的功率电平满足接收机的要求；经过双频带增益连续调节电路的北斗/GPS 卫星信号进入频段增益比例调节电路，在频段增益比例调节电路中，分别调节 GPS 频段和北斗频段的增益斜率，确保北斗频段增益和 GPS 频段增益为合适比例，满足各种馈线对北斗和 GPS频段不同衰减值的要求；经过频段增益比例调节电路的北斗/GPS 卫星信号进入宽频带驱动放大电路进行驱动放大，确保到达接收机的北斗/GPS 卫星信号功率电平达到接收机接收灵敏度的要求。

上述的超宽带低噪声放大电路由第一级超宽带低噪声放大电路和第二级超宽带低噪声放大电路构成；所述的双通带带通平衡滤波电路由第一级双通带带通平衡滤波电路和第二级双通带带通平衡滤波电路构成；其中，第一级超宽带低噪声放大电路连接第一级双通带带通平衡滤波电路，第一级双通带带通平衡滤波电路连接第二级超宽带低噪声放大电路，第二级超宽带低噪声放大电路连接第二级双通带带通平衡滤波电路。

在第一级超宽带低噪声放大电路中，噪声系数为小于 2dB。

在第一级双通带带通平衡滤波电路和第二级双通带带通平衡滤波电路中，由高频电容，高频电感和电阻构成双通带带通平衡滤波网络，上述的双通带带通平衡滤波网络还与由电阻形成的阻抗网络相连接。

上述的双频带增益连续调节电路由三个肖特基二极管、高频电容、微带电感及电阻组成，通过控制三个肖特基二极管的导通电流实现肖特基二极管等效电阻的连续调节，从而实现双频段增益的连续调节。

上述的频段增益比例调节电路为改进型的 T 型幅度均衡器，通过陷波电路和滤波滤波电路的组合再加上 T 型阻抗衰减网络实现北斗频段和 GPS 频段增益比例调节，满足馈线衰减要求。

采用上述技术方案的本发明，作为天线和接收机的中间部件，通过一根馈线，实现对北斗一代卫星信号和 GPS 卫星信号同时进行低噪声放大，保证达到接收机的卫星信号有较低的噪声，较高的系统增益，为长馈线地面应用系统提供良好的卫星信号。本发明不但能单端口输入输出实现对北斗卫星信号和 GPS 卫星信号的低噪声放大，而且摆脱了对单一导航系统的依赖，实现了北斗卫星导航系统和 GPS 卫星导航系统的优势互补，提高卫星导航系统的稳定性。具体地说，本发明具有以下优点：

1. 将北斗放大电路和 GPS 放大电路合在同一个信号通路，能同时对北斗卫星信号和GPS 卫星信号实现低噪声放大；

2. 对北斗和 GPS 以外的卫星信号进行很好的抑制；

3. 放大器的增益在北斗和 GPS 频段内可以连续可调；

4. 北斗频段和 GPS 频段的信号进行幅度均衡调整，确保 GPS 的增益和北斗增益的比例；

5. 体积小，和单一的 GPS 或北斗放大器体积相当；

6. 功耗低，和单一的 GPS 低噪放功耗相当。

附图说明

图 1 是本发明的电路原理框图。

图 2 是本发明双通带带通平衡滤波电路图。

图 3 是本发明的双频带增益连续调节电路图。

图 4 是本发明的频段增益比例调节电路图。

具体实施方式

如图 1 所示，北斗导航系统低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路是兼容两种卫星导航系统的低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路，采用北斗低噪放和 GPS 低噪放的一体化设计，主要包括以下部分：设置在同一接收系统中的超宽带低噪声放大电路和双通带带通平衡滤波电路，双频带增益连续调节电路，频段增益比例调节电路，宽频带驱动放大电路，双频段阻抗匹配电路和端口馈供电电路。

其中，超宽带低噪声放大电路同时对北斗/GPS 卫星信号进行低噪声放大；双通带带通平衡滤波电路对北斗/GPS 卫星信号频段外的干扰信号进行抑制，防止频带以外信号的干扰。

需要说明的是，上述的超宽带低噪声放大电路由第一级超宽带低噪声放大电路和第二级超宽带低噪声放大电路构成；双通带带通平衡滤波电路由第一级双通带带通平衡滤波电路和第二级双通带带通平衡滤波电路构成，在第一级双通带带通平衡滤波电路和第二级双通带带通平衡滤波电路中，由高频电容，高频电感和电阻构成双通带带通平衡滤波网络。其中，第一级超宽带低噪声放大电路连接第一级双通带带通平衡滤波电路，第一级双通带带通平衡滤波电路连接第二级超宽带低噪声放大电路，第二级超宽带低噪声放大电路连接第二级双通带带通平衡滤波电路。

第一级超宽通带低噪声放大电路作为低噪声放大电路中的第一级，其主要功能是将来自天线的低电压信号进行小信号放大。第一级放大器的噪声系数对整个微波系统的噪声影响最大，第一级放大器的增益将决定对后级电路的噪声抑制程度，它的线性度将对整个系统的线性度和共模噪声抑制比产生重要影响。对本级低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路的基本要求是：噪声系数低、足够的功率增益、工作稳定性好、足够的带宽和大的动态范围。对于本放大器中的第一级低噪放，由于同时应用在北斗频段和 GPS 频段，其工作带宽达到了 1GHz，为了在有用频带内很好的实现输入阻抗匹配，要对输入噪声和输入反射损耗进行均衡，尽量做到两种匹配接近。为了实现输出阻抗匹配，要求放大器有最大功率输出。同时要求此放大器在工作频段范围内绝对稳定。为了改善低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路的稳定性，我们通常采用串接阻抗负反馈的方式确保低噪放的稳定性。

经过第一级超宽带低噪声放大后的北斗/GPS 卫星信号进入第一级双通带带通平衡滤波电路，对北斗一代和 GPS 频段外的干扰信号进行抑制。如图 2 所示，双通带带通平衡滤波电路由电容和高频电感构成双通带带通平衡滤波网络，与其他类型的滤波器相比，此滤波器具有更具有更陡峭的通带，阻带过渡特性。上述的双通带带通平衡滤波网络还与由电阻形成的阻抗网络相连接，由此来均衡北斗和 GPS 频段的衰减。当接收到的北斗和 GPS卫星信号通过此滤波网络后，北斗和 GPS 频段以外信号的幅度得到了很好的抑制，从而使信号的载噪比得到改善。

第二低超宽带低噪声放大电路的噪声对整个系统噪声的影响相当较小，因此对第二级低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路来说，放大器的噪声已经显得不是那么重要，而放大器的 1dB 压缩点和三阶交调点的指标显的更为重要，同时放大器的带宽和稳定性要好。

然后北斗/GPS 卫星信号进入第二级双通带带通平衡滤波电路，对北斗一代和 GPS频段外的干扰信号再次进行抑制，然后进入双频带增益连续调节电路。

如图 3 所示，双频带增益连续调节电路，通过双频带增益连续可调电路，使放大器的增益连续可变，确保北斗信号和 GPS 信号的功率电平满足接收机的要求。双频带增益连续调节电路由三个肖特基二极管、高频电容、微带电感及电阻组成，通过控制三个肖特基二极管的导通电流实现肖特基二极管等效电阻的连续调节，从而实现双频段增益的连续调节。通过此可调衰减网路，可以在 13dB 范围内连续调节整个电路的增益。此增益可调电路是利用肖特基二极管在DC偏置电压下，在高于其截止频率fc时，它可以用作为流控可变电阻的原理，通过可调电阻器连续调节加在肖特基二极管上的电流，从而调节整个电路的衰减。

如图 4 所示，在频段增益比例调节电路中，分别调节 GPS 频段和北斗频段的增益斜率，确保北斗频段增益和GPS频段增益为合适比例，满足各种馈线对北斗和GPS频段不同衰减值的要求。由于宽带低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路存在增益斜率问题，目前在宽带通信方面应用的低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路的主要问题是随着频率的升高，增益会逐渐降低。为了在宽频带放大电路中得到相当一致的增益，我们利用集总电路提供幅度均衡器。频段增益比例调节电路为改进型的T型幅度均衡器，通过陷波电路和滤波滤波电路的组合再加上 T 型阻抗衰减网络实现北斗频段和 GPS 频段增益比例调节，满足馈线衰减要求。将谐振频率设定在所需频率之上，可使电路的增益-斜率大于零，从而抵消标准宽频放大器的负增益斜率。此电路在设计时要考虑降低寄生元件，焊盘电容以及非理想元件特性所带来的影响。

经过频段增益比例调节电路的北斗/GPS 卫星信号进入宽频带驱动放大电路进行驱动放大，确保到达接收机的北斗/GPS 卫星信号功率电平达到接收机接收灵敏度的要求。宽频带驱动放大电路对整个系统的噪声影响可以忽略不计，因此在驱动放大器的选择上，可以忽略噪声这个技术指标，放大器的输入，输出匹配的设计都是以最大输入，输出功率的共轭匹配，对于驱动放大器来说，动态范围是衡量驱动放大器的最主要指标。确保放大器在小信号输入的情况下，输出足够功率电平的有用信号，从而驱动后面的接收模块。

双频段阻抗匹配电路 ：由于此放大器只有一个信号通路，在此电路中的所有器件都需要实现双频段匹配，来保证北斗和 GPS 频段的输入输出驻波。此电路中采用了双频段匹配法，很好的解决了电路匹配问题。

端口馈供电电路：在此电路中，将馈电电路和供电电路结合在一起，无需另外馈电，就可以通过馈线将接收机提供的直流电源提供给天线，同时驱动本放大器。

在如图 1 所示的本发明架构下，其信号通路的接收原理是：到达北斗 /GPS 双系统低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路的北斗卫星和 GPS 卫星信号，通过第一级超宽通带低噪声放大电路对北斗频段和 GPS 频段的卫星信号进行低噪声放大，通过第一级双通带带通平衡滤波电路进行双带通平衡滤波，然后进入第二级超宽通带低噪声放大电路对北斗和 GPS 卫星信号进行低噪声放大，通过第二级北斗导航通带带通平衡滤波电路进行双带通平衡滤波，然后进入双频带增益连续调节电路和频段增益比例调节电路，最后进入宽频带驱动放大电路对北斗和GPS 卫星信号进行驱动放大。因此，本发明不仅适用于基于我国自主知识产权的北斗一代卫星导航系统的北斗一代接收机，也适用于基于美国GPS全球卫星导航系统的GPS接收机，还适用于双接收系统的北斗/GPS 接收机。

本发明的具体参数如下：

GPS 频段：放大频率范围为 1575.42±5MHz 的 GPS 卫星信号。

北斗频段：放大频率范围为 2491.75±4.08MHz 的北斗一代卫星信号。

本低噪放的指标如下：

工作频率： 2491.75±4.08MHz 1575.42±5MHZ

噪声： ≤ 2dB ≤ 2dB

输入驻波比： VSWR ≤ 2:1 VSWR ≤ 2:1

输出驻波比： VSWR ≤ 2:1 VSWR ≤ 2:1

增益（连续可调)： 32 ～ 45dB 25 ～ 38dB

特性阻抗 50 欧姆

工作电压： 4.5 ∽ 5.5V

工作电流： ≤ 28mA

工作温度 -40℃∽ 85℃

储存温度 -40℃∽ 85℃

增益斜率调整范围： 0 ～ 13dB

烧毁功率 1W。

Claims (4)

1.一种北斗导航系统低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路，其特征在于：它包括设置在一接收系统中的超宽带低噪声放大电路和双通带带通平衡滤波电路，其中，所述的超宽带低噪声放大电路同时对北斗/GPS 卫星信号进行低噪声放大；所述的双通带带通平衡滤波电路对北斗/GPS卫星信号频段外的干扰信号进行抑制；经过低噪声放大和滤波的北斗/GPS 卫星信号进入双频带增益连续调节电路，通过双频带增益连续可调电路，使放大器的增益连续可变，确保北斗信号和 GPS 信号的功率电平满足接收机的要求；经过双频带增益连续调节电路的北斗/GPS 卫星信号进入频段增益比例调节电路，在频段增益比例调节电路中，分别调节 GPS 频段和北斗频段的增益斜率，确保北斗频段增益和 GPS 频段增益为合适比例，满足各种馈线对北斗和 GPS 频段不同衰减值的要求；经过频段增益比例调节电路的北斗/GPS 卫星信号进入宽频带驱动放大电路进行驱动放大，确保到达接收机的北斗/GPS 卫星信号功率电平达到接收机接收灵敏度的要求,所述的超宽带低噪声放大电路由第一级超宽带低噪声放大电路和第二级超宽带低噪声放大电路构成；所述的双通带带通平衡滤波电路由第一级双通带带通平衡滤波电路和第二级双通带带通平衡滤波电路构成；其中，第一级超宽带低噪声放大电路连接第一级双通带带通平衡滤波电路，第一级双通带带通平衡滤波电路连接第二级超宽带低噪声放大电路，第二级超宽带低噪声放大电路连接第二级双通带带通平衡滤波电路,所述的频段增益比例调节电路为改进型的 T 型幅度均衡器，通过陷波电路和滤波滤波电路的组合再加上T 型阻抗衰减网络实现北斗频段和 GPS 频段增益比例调节。

2. 根据权利要求 1 所述的北斗导航系统低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路，其特征在于：在第一级超宽带低噪声放大电路中，噪声系数为小于 2dB。

3. 根据权利要求 1所述的北斗导航系统低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路，其特征在于：在第一级双通带带通平衡滤波电路和第二级双通带带通平衡滤波电路中，由高频电容，高频电感和电阻构成双通带带通平衡滤波网络，上述的双通带带通平衡滤波网络还与由电阻形成的阻抗网络相连接。

4. 根据权利要求 1 所述的北斗导航系统低噪声放大器和双通带带通平衡滤波电路，其特征在于：所述的双频带增益连续调节电路由三个肖特基二极管、高频电容、微带电感及电阻组成，通过控制三个肖特基二极管的导通电流实现肖特基二极管等效电阻的连续调节，从而实现双频段增益的连续调节。