CN111049539A - 一种高线性多天线阵抗干扰射频前端系统 - Google Patents

一种高线性多天线阵抗干扰射频前端系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高线性多天线阵抗干扰射频前端设计系统，以四天线阵列射频通道为架构的硬件平台，按功能划分主要包括：射频信号调整与预选单元、射频信号下变频单元、中频滤波及中频信号放大单元、频率综合器单元、AD采样单元、有源晶振单元、电源供电单元。射频信号调整与预选单元将天线端输入的射频信号进行带通滤波，保留选通射频信号，滤除其它频段的载波信号，并将保留信号进行高频低噪放大；射频信号下变频单元将上一级带通滤波信号进行低噪声放大，并将射频信号搬移至中频信号。本发明采用1dB压缩点和三阶交调点分析方式来描述系统的线性度，在减小设计成本开销以及避免设计资源浪费的同时，最大限度的提高射频前端的线性度。

Description

一种高线性多天线阵抗干扰射频前端系统
技术领域
本发明涉及卫星导航抗干扰射频电路领域，特别是一种高线性多天线阵抗干扰射频前端系统。
背景技术
随着卫星导航系统全球性、全天候、多领域提供高精度的定位导航与授时服务等优点，使其成为一个充满朝阳气息的高新技术产业。射频前端是卫星导航接收机的重要组成部分，其将天空中微弱的卫星信号进行滤波、放大输出给后端进行处理。一个设计优良功能完善的射频前端决定着卫星信号接收机整体性能，在接收机灵敏度、噪声系数方面表现的更为突出。
以无线电波方式传播的卫星信号存在致命的缺陷，其特性决定了其易损性和脆弱性，因此卫星系统极容易被各种手段进行干扰，无法给用户提供高精度的定位导航与授时服务。国际上对卫星导航抗干扰技术的研究愈发的火热，很多不同类型的抗干扰技术被各类专家提出并实现以提高卫星导航系统的抗干扰性能。目前市面上广泛出现的卫星导航功接收机射频前端主要接收一路或者两路卫星信号，不能满足抗干扰要求。因此，基于多天线阵的抗干扰射频前端电路设计与实现应运而生。
发明内容
本发明的目的是设计一种高线性多天线阵抗干扰射频前端系统，为抗干扰接收机后端的信息处理单元提供优质的中频数字信号。
实现本发明的技术解决方案为：一种高线性多天线阵抗干扰射频前端设计系统，计基于四天线阵列射频通道为架构的硬件平台，按功能划分主要包括：射频信号调整与预选单元、射频信号下变频单元、中频滤波及中频信号放大单元、频率综合器单元、AD采样单元、有源晶振单元、电源供电单元，其中：
射频信号调整与预选单元，对天线端输入的微弱的射频信号进行滤波以及放大，保留选通射频信号并放大，滤除其它频段的载波信号，本单元设计需要考虑低噪声放大器噪声系数、线性度、带宽、增益、阻抗匹配等设计指标；
射频信号下变频单元，将上一级带通滤波信号进行低噪声放大，并将射频信号搬移至中频信号，本单元设计需要考虑混频器噪声系数、混频增益以及混频线性度等设计指标；
中频滤波及中频信号放大单元，可变增益放大器，当输入信号电压变化很大时，保持射频前端输出电压值的稳定；
频率综合器单元，本设计利用低功耗、体积小PLL技术将高精度、低相位噪声的参考频率进行倍频和分频，产生具有同样精度和稳定度的频率；
AD采样单元，其为抗干扰射频前端的最后一功能单元，其功能是将前几级混频、滤波和放大处理后的模拟信号转换成数字信号；
有源晶振单元，提供高精度、高稳定性的时钟参考频率；
电源供电单元，采取保护措施，将输入的+5V首先经过保护电路，保护电路将输入的电源钳制在5V，当电压过高时，保护电路输出的电压为零。
进一步，所述微弱的射频信号包含卫星信号和干扰信号。
进一步，所述射频信号调整与预选单元中采用安捷伦公司的增强型伪高电子迁移率晶体管ATF-54143，该芯片省去了负栅极电压，低功耗、低噪声、高线性和高增益等特点使该芯片成为射频电路第一级放大器的首选器件。
进一步，射频信号下变频单元采用一次下变频的方式，选用infineon公司的CMY210，该芯片为功耗低带有集成缓冲器的超线性混频器，具有典型的24dBm超高输入三阶交调点。所述中频滤波及中频信号放大单元，其中中频信号放大器采用AD公司的AD8368芯片，该芯片为增益可变的单端中频放大器，并集成可实现自闭环的律方检波器。所述频率综合器单元采用PLL和单片机组合的方式实现高精度的倍频和分频工作。PLL采用SiliconLaboratories的Si4123锁相环芯片，该芯片低噪声、可编程，使用灵活，频率范围宽；单片机选用Silicon Laboratories的C8051F330，完成控制Si4123锁相环输出本振信号。
进一步，所述AD采样单元采用两片Analog Devices的AD9269BCPZ-80ADC转换芯片和4片MACON公司的ETC1-1TTR巴伦组成，其中AD9269BCPZ-80为16位输入带宽为700MHz的模数转换芯片，ETC1-1TTR巴伦将中频模拟信号进行差分。
对相关通道的噪声系数进行分析，噪声影响最大的为第一级滤波器和低噪声放大器，在该方案中采用插损小于1dB的介质滤波器，采用噪声系数小于0.8dB的低噪声放大器，确保前级增益和噪声系数最优，通过后级影响叠加，最终可以得到变频通道噪声系数约为：1.95dB。可以满足技术指标的要求。
所述本设计采用的是一次混频，为了保证镜频抑制度，在射频输入端采用了一个低插入损耗的介质滤波器，在低噪放后，又采用了一个声表滤波器，这两级滤波器共同完成对带外信号的抑制和对镜频频率的抑制。
所述本设计采取三种方式对变频通道进行间隔离：本振隔离、空间辐射、电源隔离，从而满足通道间的隔离度要求。所述的射频信号调整与预选单元中采用安捷伦公司的增强型伪高电子迁移率晶体管ATF-54143，其特征在于，基于该芯片的低噪声放大器设计中的偏置电路权衡了噪声系数和线性度，使分立器件电容电感的谐振频率发生在预设定的频段，可使得电感阻抗无限大，电容的阻抗无限小。
所述的中频信号放大器采用AD公司的AD8368芯片，其特征在于该处AD8368作为AGC使用，把检波器输出端与控制电压输入端相连，放大器输出端与检波器输入端相连，模式旋转端接地闭环为AGC。需要注意的是INPT与OUTPT在电路设计时需要进行交流耦合，可避开板载直流电平的干扰。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)在保证宽的动态范围的同时提高整个射频前端的线性度；
(2)参考成熟的硬件设计电路，缩短系统开发周期，降低开发风险；
(3)实用性强、功耗低、微型化，有利于工程化、系列化和批生产。
附图说明
图1是本发明实施例的高线性多天线阵抗干扰射频前端总结构图。
图2是本发明实施例的噪声系数仿真链路分析图。
图3是本发明实施例的三阶交调截止点OIP3的链路分析图。
图4是本发明实施例的基于ATF54143的低噪声放大器原理框图。
图5是本发明实施例的频率综合器原理框图。
具体实施方式
本发明的目的是设计一种高线性多天线阵抗干扰射频前端系统，基于四天线阵列射频通道为架构的硬件平台，已此为射频前端的抗干扰卫星导航接收机平台上可验证阵列卫星信号处理干扰算法，实现在宽带干扰、窄带干扰、扫频干扰等恶劣的干扰环境下，仍能够准确的跟踪卫星信号，为用户提供可靠的定位导航授时信息。
射频单元将输入的四路射频信号(包含卫星信号信号和干扰信号)经过滤波、放大、下变频、AD转换成数字中频信号。
结合图1，本发明高线性多天线阵抗干扰射频前端设计，该设计包括射频信号调整与预选单元、射频信号下变频单元、中频滤波及中频信号放大单元、频率综合器单元、AD采样单元、有源晶振单元、电源供电单元。
射频信号调整与预选单元将天线端输入的射频信号(包含卫星信号和干扰信号)进行带通滤波，保留选通射频信号，滤除其它频段的载波信号，并将保留信号进行高频低噪放大。
射频信号下变频单元将上一级带通滤波信号进行低噪声放大，并将射频信号搬移至中频信号。
中频滤波及中频信号放大单元为可变增益放大器，当输入信号电压变化很大时，保持射频前端输出电压值的稳定。
频率综合器单元利用PLL技术将高精度、低相位噪声的参考频率进行倍频和分频，产生具有同样精度和稳定度的频率。
AD采样单元为模数转换单元，其为抗干扰射频前端的最后一功能单元，其功能是将前几级混频、滤波和放大处理后的模拟信号转换成数字信号。
有源晶振单元提供高精度、高稳定性的时钟参考频率。
电源供电单元，采取保护措施，将输入的+5V首先经过保护电路，保护电路将输入的电源钳制在5V，当电压过高时，保护电路输出的电压为零。
进一步地，所述射频前端处理模块采用4路抗干扰射频通道。每个通道采用一次变频的方式，将信号进行滤波、低噪声放大、下变频处理后进行再进行中频滤波和中频放大。
射频前端设计中，噪声系数的计算方法如下所示：
Figure BDA0002310802490000041
因此每个通道的噪声系数主要由前级低噪放噪声系数及通道的增益分配确定。根据系统方案，搭建噪声系数仿真链路如图2所示。噪声影响最大的为第一级滤波器和低噪声放大器，在该方案中采用插损小于1dB的介质滤波器，采用噪声系数小于0.8dB的低噪声放大器，确保前级增益和噪声系数最优，通过后级影响叠加，最终可以得到B3变频通道噪声系数约为：1.95dB。
根据输出三阶交调截点与三阶交调分量抑制的关系：
Figure BDA0002310802490000042
其中，OIP3为输出三阶交调截点，a测试时输出功率，ΔIM为三阶交调分量抑制，器件三阶交调截点直接反映器件的线性度，即三阶截点越高线性度越高。根据设计方案，通道输出三阶交调截止点OIP3的链路分析如图3所示，做到功耗与产品输出三阶交调的合理分配，因此通过分析，通道的输出OIP3为：25.39dBm。
通道的最大输出功率决定于最后一级放大器的饱和输出功率。设计中选用的放大器1dB压缩点为13.2dBm，经过对器件的测试，在46.5MHz时饱和输出功率为14.3dBm。为了保证最大输出功率小于15dBm，放大器的1dB压缩点不能选择大于15dBm的芯片。1dB压缩点与OIP3成线性关系，从本指标分析，器件1dB压缩点要尽量小，而从三阶交调抑制指标分析，器件1dB压缩点要尽量大，这样存在矛盾，因此在器件选择上，只能对这两个指标进行权衡考虑。
为了保证通道一致性，采取措施如下：
1)所有通道的印制板采用相同版面；
2)所有通道的结构件采用相同尺寸；
3)信号通路上的电感和电容会改变相位，所有通道射频主路上尽量少使用电感和电容元件，元器件尽量选用双端匹配的；
4)对滤波器提出高的要求。产品中选用的声表滤波器、LTCC滤波器均为一次成型，一致性非常好。介质滤波器一致性通过对外协方关于相位一致性提出高的要求；
5)所有中频滤波器均需经过性能筛选后方可使用；
6)本振部分采用可调微带方式连接，用以调整通道间相位的偏差；
7)为了保证相位一致性，器件均选用集成芯片。
本发明采用四天线阵列射频通道为架构的硬件平台，适用于各种对抗干扰性能较强的具有导航需求的设备。该发明适用于在电磁干扰恶劣环境下的作战平台，为以后可能衍生出多种新型作战模式打下基础。该系统在民用交通、科学考察等领域，也有很大的潜力。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
结合图1，本发明一种高线性多天线阵抗干扰射频前端设计，按功能划分主要包括：射频信号调整与预选单元、射频信号下变频单元、中频滤波及中频信号放大单元、频率综合器单元、AD采样单元、有源晶振单元、电源供电单元。
射频信号调整与预选单元将天线端输入的射频信号(包含卫星信号和干扰信号)进行带通滤波，保留选通射频信号，滤除其它频段的载波信号，并将保留信号进行高频低噪放大。
射频信号下变频单元将上一级带通滤波信号进行低噪声放大，并将射频信号搬移至中频信号。
中频滤波及中频信号放大单元为可变增益放大器，当输入信号电压变化很大时，保持射频前端输出电压值的稳定。
频率综合器单元利用PLL技术将高精度、低相位噪声的参考频率进行倍频和分频，产生具有同样精度和稳定度的频率。
AD采样单元为模数转换单元，其为抗干扰射频前端的最后一功能单元，其功能是将前几级混频、滤波和放大处理后的模拟信号转换成数字信号。
有源晶振单元提供高精度、高稳定性的时钟参考频率；电源供电单元，采取保护措施，将输入的+5V首先经过保护电路，保护电路将输入的电源钳制在5V，当电压过高时，保护电路输出的电压为零。
所述射频前端主要完成射频信号的放大、滤波与下变频处理，输出GNSS数字中频信号给基带处理单元。对于抗干扰场合应用的变频通道，在保证高线性度、高三阶交调、低噪声系数的同时，还需要简化设计、尽量降低产品的功耗。具体硬件说明如下：
1)射频信号调整与预选单元：
本单元是基于ATF54143的低噪声放大器，为了实现高增益、低噪声和高线性度，本设计采用了最小噪声匹配方法和偏执电路设计相互结合的方案。为了简化设计面积，采用无源偏置电路来简化设计，电路图如图4所示，工作电压为+3.3V，其中电阻R1、R2、R4分压给ATF54143的栅极、漏极偏压。L1、L2、C1、C5采用等效的高通滤波电路的方法进行分析，其中电感L1、L2为抑制高频信号进入偏置电路的扼流圈，电容C1、C5旁路高频信号。R3为栅极保护电阻，C6为去耦电容。
2)频率综合器设计：
频率综合器主要为4路抗干扰BD变频通道,同时为基带处理单元提供参考数字时钟信号，组成原理框图如图5所示，，频率产生部分由温补晶振提供参考频率，通过锁相环芯片产生相应的下变频需要的本振信号及数字时钟信号，根据通道数量进行放大功分，提供给通道和基带处理单元。
在频率综合器设计时，基于Si4123锁相环芯片失锁重捕技术，将Si4123锁相环芯片的AUXOUT(pin15)与单片机的输入引脚连接。Si4123的AUXOUT引脚用来输出当前是否锁定状态，工作正常时为低电平，失锁时为高电平。单片机不停的读取该引脚的状态并进行判断，检测到电平为高时，Si4123重新置数，从而保证外界环境变化情况下，锁相环均可以完成失锁重捕保证锁相环正常工作。
3)通道幅度一致性设计
变频通道中各个相同的器件还是存在一定的差异，但差异基本在0.5dB以内，为了保证输出通道间幅度一致性，主要采用以下几种措施：对元器件进行一致性筛选；采用相同的电路版图；增加电阻衰减器位置，为后期调试作准备。通过以上措施，可以保证通道间幅度一致性控制在±1dB以内。幅度一致性是本产品的关键点，在设计上只能尽量采取措施，但器件间的差异及外界电路的影响带来的差异只能靠后期的调试来弥补。
4)通道相位一致性设计
为了保证通道一致性，我们采取了如下几项措施：所有通道的印制板采用相同版面；所有通道的结构件采用相同尺寸；信号通路上的电感和电容会改变相位，所有通道射频主路上尽量少使用电感和电容元件，元器件尽量选用双端匹配的；对滤波器提出高的要求。产品中选用的声表滤波器、LTCC滤波器均为一次成型，一致性非常好。介质滤波器一致性通过对外协方关于相位一致性提出高的要求；所有中频滤波器均需经过性能筛选后方可使用；本振部分采用可调微带方式连接，用以调整通道间相位的偏差；为了保证相位一致性，器件均选用集成芯片。
综上，本发明采用阵列天线的DSP+FPGA的微型架构，接收信噪比高,抗干扰能力强等特点，本设计中的数控衰减器衰减倍数可调,可以根据不同条件进行系数调节，实现在压制式干扰和欺骗干扰环境下提供精准的定位导航授时功能。

Claims (9)

1.一种高线性多天线阵抗干扰射频前端设计系统，其特征在于，基于四天线阵列射频通道为架构的硬件平台，按功能划分主要包括：射频信号调整与预选单元、射频信号下变频单元、中频滤波及中频信号放大单元、频率综合器单元、AD采样单元、有源晶振单元、电源供电单元，其中：
射频信号调整与预选单元，对天线端输入的微弱的射频信号进行滤波以及放大，保留选通射频信号并放大，滤除其它频段的载波信号，本单元设计需要考虑低噪声放大器噪声系数、线性度、带宽、增益、阻抗匹配等设计指标；
射频信号下变频单元，将上一级带通滤波信号进行低噪声放大，并将射频信号搬移至中频信号；
中频滤波及中频信号放大单元，可变增益放大器，当输入信号电压变化很大时，保持射频前端输出电压值的稳定；
频率综合器单元，利用低功耗、体积小PLL技术将高精度、低相位噪声的参考频率进行倍频和分频，产生具有同样精度和稳定度的频率；
AD采样单元，其为抗干扰射频前端的最后一功能单元，其功能是将前几级混频、滤波和放大处理后的模拟信号转换成数字信号；
有源晶振单元，提供高精度、高稳定性的时钟参考频率；
电源供电单元，采取保护措施，将输入的+5V首先经过保护电路，保护电路将输入的电源钳制在5V，当电压过高时，保护电路输出的电压为零。
2.如权利要求1所述的一种高线性多天线阵抗干扰射频前端设计系统，其特征在于，所述天线端输入的微弱的射频信号包含卫星信号和干扰信号。
3.如权利要求1所述的一种高线性多天线阵抗干扰射频前端设计系统，其特征在于，射频信号下变频单元设计需要考虑混频器噪声系数、混频增益以及混频线性度等设计指标。
4.如权利要求1所述的一种高线性多天线阵抗干扰射频前端设计系统，其特征在于，所述射频信号调整与预选单元中采用安捷伦公司的增强型伪高电子迁移率晶体管ATF-54143。
5.如权利要求1所述的一种高线性多天线阵抗干扰射频前端设计系统，其特征在于，所述射频信号下变频单元采用一次下变频的方式，选用infineon公司的CMY210。
6.如权利要求1所述的一种高线性多天线阵抗干扰射频前端设计系统，其特征在于，所述中频滤波及中频信号放大单元，其中中频信号放大器采用AD公司的AD8368 芯片，该芯片为增益可变的单端中频放大器，并集成可实现自闭环的律方检波器。
7.如权利要求1所述的一种高线性多天线阵抗干扰射频前端设计系统，其特征在于，所述频率综合器单元采用PLL和单片机组合的方式实现高精度的倍频和分频工作；PLL采用Silicon Laboratories的Si4123锁相环芯片；单片机选用Silicon Laboratories的C8051F330，完成控制Si4123锁相环输出本振信号。
8.如权利要求1所述的一种高线性多天线阵抗干扰射频前端设计系统，其特征在于，所述AD采样单元采用两片Analog Devices的AD9269BCPZ-80ADC转换芯片和4片MACON公司的ETC1-1TTR巴伦组成，其中AD9269BCPZ-80为16位输入带宽为700MHz的模数转换芯片，ETC1-1TTR巴伦将中频模拟信号进行差分。
9.如权利要求1所述的一种高线性多天线阵抗干扰射频前端设计系统，其特征在于，采取三种方式对变频通道进行间隔离：本振隔离、空间辐射、电源隔离，从而满足通道间的隔离度要求。
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